Estudo descobre que o microbioma muda dinamicamente e favorece importantes funções relevantes para o hospedeiro
A equipe de pesquisa observou como uma comunidade de 43 espécies bacterianas diferentes se desenvolveu no organismo hospedeiro, em meio de cultura no ambiente direto dos vermes e em placas de Petri separadas, sem qualquer contato com os animais. Crédito:Dr. Johannes Zimmermann Todos os organismos multicelulares – desde os mais simples organismos animais e vegetais até aos humanos – vivem em estreita associação com uma infinidade de microrganismos, o chamado microbioma, que colonizam os seus tecidos e vivem em relações simbióticas com o hospedeiro.
Muitas funções vitais, como a absorção de nutrientes, a regulação do sistema imunológico ou processos neurológicos, resultam das interações entre o organismo hospedeiro e os simbiontes microbianos. A cooperação funcional entre o hospedeiro e os microrganismos, que os cientistas chamam de metaorganismo, está sendo investigada detalhadamente na Universidade de Kiel, no Centro de Pesquisa Colaborativa (CRC) 1182 Origem e Função dos Metaorganismos.
Os cientistas suspeitam que o microbioma pode contribuir significativamente para a adaptação ambiental e a aptidão de um organismo como um todo. Eles veem uma razão para isso na rápida adaptabilidade dos microrganismos, que podem reagir muitas vezes mais rápido às mudanças nas condições ambientais do que os organismos hospedeiros, geralmente de evolução mais lenta.
Como a colonização e a composição do microbioma são estabelecidas durante o desenvolvimento individual do organismo hospedeiro é objeto de pesquisas atuais.
Uma equipe do grupo de pesquisa em Ecologia Evolutiva e Genética liderada pelo Professor Hinrich Schulenburg no Instituto Zoológico da Universidade de Kiel, juntamente com outros grupos de pesquisa do CRC 1182 de diferentes faculdades e do Instituto Max Planck de Biologia Evolutiva em Plön, investigou agora o dinâmica da colonização do microbioma.
Eles descobriram que o microbioma no organismo hospedeiro do nematóide não tem uma composição aleatória durante um grande período de sua vida, o que sugere que a comunidade microbiana é o resultado de processos de seleção direcionados. O estudo foi publicado na mBio .
Esta suposição é apoiada pela análise do genoma das espécies microbianas no microbioma do verme. Foram encontrados numerosos genes responsáveis por certas funções metabólicas que são importantes para o organismo hospedeiro e também relevantes em outros organismos.
Com estes resultados, os investigadores de Kiel mostram mais uma vez que a lombriga Caenorhabditis elegans é particularmente adequada como organismo modelo informativo para a investigação do microbioma intestinal.
Dinâmica da composição do microbioma ao longo da vida do nematóide
Para estudar o desenvolvimento da composição do microbioma em C. elegans ao longo do tempo, a Dra. Agnes Piecyk, ex-pesquisadora do grupo de Ecologia Evolutiva e Genética, que planejou e liderou os experimentos, utilizou uma comunidade característica de 43 espécies bacterianas diferentes que são normalmente encontrado no nematóide na natureza.
Ela introduziu esta comunidade microbiana em animais previamente livres de germes e os colonizou em um meio de cultura nas imediações dos vermes e em placas de Petri separadas, sem qualquer contato com os animais. Os investigadores analisaram então como a composição desta comunidade microbiana experimental mudou sob várias condições ao longo de cerca de uma semana em seis momentos individuais – o que corresponde à vida média dos vermes.
No decorrer da experiência, tornou-se evidente que o tempo apenas desempenhava um papel proeminente nas comunidades microbianas associadas ao hospedeiro, ou seja, nas bactérias que vivem nos vermes. “A sua composição mudou de tal forma que algumas espécies bacterianas específicas apareceram com mais frequência”, diz o Dr. Johannes Zimmermann, também investigador do grupo de trabalho Ecologia Evolutiva e Genética, que analisou os dados.
Por exemplo, as bactérias Ochrobactrum e Enterobacter se acumulam no intestino do verme. "Esta dinâmica não pode ser explicada de forma convincente por processos estocásticos, ou seja, em princípio aleatórios. Queríamos, portanto, descobrir se poderia haver processos direcionados envolvidos na mudança dinâmica do microbioma do verme ao longo do tempo", explica Zimmermann.
A análise do genoma indica a seleção de certas funções metabólicas úteis
Na etapa seguinte, a equipe de pesquisa analisou os genomas dos microrganismos do microbioma dos vermes, contendo todas as informações genéticas das comunidades bacterianas ao longo da vida dos vermes. Curiosamente, os investigadores encontraram algumas semelhanças impressionantes entre comunidades microbianas associadas ao hospedeiro e genes conhecidos da investigação do microbioma humano.
“Nossa hipótese é que isso não se deve ao acaso, mas é impulsionado por interações específicas entre o hospedeiro e o microbioma que afetam a composição do microbioma em determinados pontos da vida do hospedeiro.
“Uma explicação muito plausível para o acúmulo de certas espécies bacterianas nos vermes em comparação com os grupos de controle poderia, portanto, ser que o hospedeiro seleciona especificamente certas bactérias e as funções associadas a elas, que por sua vez são vantajosas para o organismo hospedeiro”, enfatiza Zimmermann. .
Esta hipótese é ainda apoiada pelo facto de as funções microbianas favoráveis serem universais e irem além do C. elegans, por exemplo, a produção de ácidos gordos de cadeia curta, vitamina B12 ou outras substâncias vitais.
Organismo modelo para pesquisa do microbioma intestinal
No geral, os investigadores concluem que, devido à dinâmica da composição do microbioma ao longo da vida do verme, as espécies bacterianas associadas desenvolveram certas estratégias competitivas e que, em particular, são favorecidas aquelas espécies que fornecem certas funções úteis ao hospedeiro. Em conclusão, os microrganismos colonizadores, portanto, parecem ser benéficos para o organismo hospedeiro em geral e, assim, ajudam-no a adaptar-se ao seu ambiente.
“Com nosso novo trabalho, fornecemos bases conceituais importantes que ampliam nossa compreensão da composição e função do microbioma e de como o organismo hospedeiro influencia sua composição”, diz Schulenburg.
“Nosso estudo baseado na comunidade microbiana experimental também mostra mais uma vez que C. elegans nos fornece um sistema modelo valioso que também é relevante para a compreensão de processos fundamentais no microbioma intestinal humano e suas consequências para a saúde e a doença”, conclui Schulenburg.
