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Alexander Alvarez Holly Manuel B. Coquet Davila

Microbioma

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Introducción 

En el siglo XIX se concibió la aparentemente absurda idea de que las enfermedades no eran causadas por falta de higiene o contaminantes como se pensaba, si no más bien por organismos demasiado pequeños que no podemos ver. De ahí surgió la Teoría Microbiana de la Enfermedad

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En el siglo XXI, ha surgido una idea aún mas absurda, los humanos y otros macroorganismos no son entidades individuales, ahora se cree que son ecosistemas completos dependientes en billones de microbios.

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Rápidamente se ha consolidado una nueva generación de científicos que creen en la Teoría Microbiómica de la Vida con esta nueva idea ecosistemas

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¿Qué es el Microbioma? 

La comunidad ecológica de microorganismos comensales, simbióticos y patogénicos que comparten el espacio de nuestro cuerpo

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El cuerpo humano es hogar para un ecosistema complejo compuesto de billones de bacterias, virus, hongos y otros microbios que juegan un papel importante en nuestra salud y procesos fisiológicos como la digestión, dieta e inclusive se cree que esta relacionado con nuestro comportamiento social

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Este ecosistema es cambiante y sensible y se ha comprobado que su diversidad y composición esta relacionada con distintas enfermedades por lo que su importancia es enorme

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¿Por qué surge? 

Antes la inmunología (mediados de los 90s) decía que teníamos que evitar la microbiota intestinal ya que es demasiado compleja, no nos afecta, no podemos cultivar esas especies, ni siquiera caracterizarlas

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Sin embargo los avances tecnológicos y la disminución de sus precios han permitido su estudio por medio de la secuenciación del ADN, la bioinformática y otras tecnologías que se siguen desarrollando

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Su potencial en solucionar nuestros problemas sociales y económicos a nivel mundial en el sector de salud y alimentos

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Principales Retos 

90% de las especies no son cultivables

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No conocemos la mayoría de los organismos

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Casi todos los organismos son anaerobios (apoptosis)

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Técnicas de extracción agresivas pueden dañar las muestras y si son muy suaves no son capaces de separar cepas durables de hongos o esporas de bacterias

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Secuenciar ADN ignora los virus que contienen ARN

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No tenemos una definición para el término especies ni metodologías definidas para el análisis o generación de datos

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No basta con identificar el organismo X que forma parte de los procesos Y, W y Z o que están relacionados con alguna enfermedad. Hay que definir las moléculas que controlan estas relaciones para generar estrategias de intervención o medicinas que nos permitan simular un microbioma saludable o controlar el daño y las señales de un microbioma no saludable.

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¿Cómo se estudian estos sistemas? 

Consiste en muestrear el ecosistema, secuenciando lo más posible del ADN y ARN y después se analiza para determinar los organismos que lo componen y si es posible sus funciones ecológicas

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La cantidad de información es demasiada por lo que siempre se empieza con un diseño experimental donde primero se deciden las preguntas que se quieren contestar y como se quieren estructurar las respuestas 

Toma de muestras

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Clasificación de organismos 

Taxonómico – nichos y características

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Relaciones Evolutivas – árboles filogénicos

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¿Cómo se estudian estos sistemas? 

Secuenciación – parte más importante y menos establecida 

Secuenciar ARN de ribosomas – consiste en utilizar iniciadores diseñados para amplificar solamente los genes del 16s ARN ribosomal que es una molécula que ha cambiado muy poco durante la evolución. Por este método es muy fácil identificar el número de especies y se tienen bibliotecas de esta molécula para muchos microorganismos y es muy fácil separar información que no es muy útil

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Secuenciar segmentos aleatorios de genomas completos – secuenciación “shotgun” o metagenómica secuenciaciones cortas de pedazos aleatorios de genomas que hay que ir armando como rompecabezas. Te da más información especialmente sobre las funciones y relaciones pero es mucho más complicado y complejo

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¿Cómo se estudian estos sistemas? 

Análisis de la información – La información obtenida no es simple ni directa. Como es un área nueva, la mayor parte del software y metodologías para análisis viene de los propios investigadores

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Como distingues una especie si cada parte del organismo microbial forma parte de los procesos cruciales del ecosistema global

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“Operational Taxonomical Units” – concepto análogo a especie pero en términos de secuenciación de genes

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Métodos no están probados ni regulados por lo que hay problemas de resultados reproducibles

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Importancia 

Se han encontrado relaciones entre cambios en el microbioma y muchas de las enfermedades más importantes del ser humano – HIV, problemas cardiacos, diabetes, cáncer y otras enfermedades complejas del cerebro como Alzheimer y autismo

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¿Estos cambios en diversidad del microbioma son consecuencia de la enfermedad, o quizá son cambios que participan en el desarrollo de la enfermedad?

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Trasplantes fecales y bacterioterapia en tratamientos de infección de bacterias

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Se cree que avances en higiene, sanitación, refrigeración, vacunas, uso excesivo de antibióticos y los alimentos procesados han modificado el balance entre los microbios y el huésped (humanos)

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El microbioma va más allá del intestino, se encuentra en cada superficie el cuerpo ya sea en la piel o hasta en los pulmones

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El Microbioma Humano puede estar viendo por si mismo Nuestros microbios y nosotros nos beneficiamos mutuamente, pero hay una idea proveniente de la ciencia ficción pero que cada vez cobra más fuerza y sustento

Los germenes nos controlan !!

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¿Que función tienen? Degradar nuestra comida por medio de enzimas

Combatir infecciones y ayudar a nuestro sistema inmune

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¿Qué tan posible es esta teoría de control? Hay microorganismos que controlan a sus huéspedes. Nuestro microbioma tiene el potencial bioquímico de hacer lo mismo. Existen moléculas similares a las que utilizan nuestras neuronas para comunicarse

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Ratones que han sido criados libres de bacterias, se comportan diferente. Son mas ansiosos y su memoria es distinta a ratones normales

Agregando algunos tipos de bacterias, el nivel de estrés de los ratones disminuye

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Influencia en la alimentación

En ratones sin bacterias, los receptores de sabores dulces en el intestino están mas desarrollados

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Comportamiento Social

Ratones sin microbios, tienden a alejarse de otros ratones. Los ratones con microbios son mas sociales

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Casos Reales Muchos parásitos incluso pueden tener control total sobre el huésped. La conducta del huésped es solo un fenotipo extendido del parasito

Hongo Ophiocordyceps

Larva Diplostomum spathaceum

Larva Leuchochloridium paradoxum

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Los hongos y las hormigas zombies El hongo infecta a la hormiga y comienza a tener control sobre ella El comportamiento de la hormiga comienza a ser diferente. Comienzan a caminar solas como si estuvieran “borrachas”

+ Después las hormigas, alrededor de la una o dos de la tarde comenzaban a morder hojas y quedarse fijas (hojas a no mas de 3m de altura). Se cree que puede ser por la humedad y la cantidad de sol durante esos momentos

+ Las hormigas mueren y después de 2-3 días comienza a crecer el hongo y formar el micelio que brota de las membranas de la hormiga

Aun muertas, las hormigas siguen aferradas a la hoja, esto se debe a que el hongo provoca que las mandíbulas de la hormiga queden trabadas

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El hongo libera las esporas desde lo alto, y estas caen sobre las demás hormigas que pasan por debajo, iniciando el ciclo nuevamente

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Bacteriófagos en las membranas mucosas 

Predadores de bacterias – son más que las bacterias

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Acarreadores de genes de toxinas, antibioticos y procesos fisiológicos

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Vitales en la composición del microbioma y en la patogeneidad del sistema de organismos

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Membranas son blancos comunes para patógenos, por esto vemos muchas infecciones de garanta, intestino y pulmones

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Se encontraron concentraciones altas de bacteriófagos en el moco secretado por membranas de tejido suave ya sean en la piel de peces, anemonas de mar o bocas de humanos

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Sistema conjunto en el que las bacterias son la presa

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Bacteriófagos en las membranas mucosas Bacteriófagos trabajan con el huésped para controlar el nivel de organismos patogénicos en las membranas mucosas Proteína “hipervariable” Hoc (inmunoglobina) – distinguir y neutralizar patógenos invasivos. Hoc se adhiere las moléculas de azucar encontradas en estas membranas Bacterias se acumulan en el moco y los bacteriófagos controlan las concentraciones de patógenos. “Back up” de un Sistema inmunológico que opera de manera similar

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Referencias 

Ecología y epidemiología de las infecciones parasitarias. Cristina Wisnivesky pg 51-54

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Behavioral mechanisms and morphological symptoms of zombie ants dying from fungal infection; David P Hughes, Sandra B Andersen, Nigel L Hywel-Jones, Winanda Himaman, Johan Billen and Jacobus J Boomsma. 9 May 2011

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Our microbiome may be looking out for itself; Carl Zimmer; The New York Times. 14 August 2014

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Microbiomics: A virus shield; The Economist. 25 May 2013

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Microbiomics: The Next Big Thing; Lisa J. Bain. University of Pennsylvania.16 July 2014

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Life Science Technologies: Microbiomics: The Germ Theory of Everything; Alan Dove. Science Magazine. 10 May 2013