Un consorcio microbiano o comunidad microbiana , son dos o más grupos bacterianos o microbianos que viven simbióticamente . [1] [2] Los consorcios pueden ser endosimbióticos o ectosimbióticos , o en ocasiones pueden ser ambos. El protisto Mixotricha paradoxa , en sí mismo un endosimbionte de la termita Mastotermes darwiniensis , siempre se encuentra como un consorcio de al menos un coco endosimbiótico , múltiples especies ectosimbióticas de bacterias flageladas o ciliadas , y al menos una especie de bacteria helicoidal Treponema que forma la base de la locomoción de los protistos Mixotricha . [3]
El concepto de consorcio fue introducido por primera vez por Johannes Reinke en 1872, [4] [5] y en 1877 se introdujo el término simbiosis y luego se amplió. La evidencia de simbiosis entre microbios sugiere firmemente que fue un precursor necesario de la evolución de las plantas terrestres y de su transición de las comunidades de algas en el mar a la tierra. [6]
Los microbios tienen un potencial de aplicación prometedor para aumentar la eficiencia de los bioprocesos cuando se trata de sustancias que son resistentes a la descomposición. [8] [9] Se ha aislado una gran cantidad de microorganismos en función de su capacidad para degradar materiales recalcitrantes como la lignocelulosa y los poliuretanos. [10] [11] En muchos casos de eficiencia de degradación, se ha descubierto que los consorcios microbianos son superiores en comparación con las cepas individuales. [12] Por ejemplo, se han aislado del medio ambiente nuevos consorcios termófilos de Brevibacillus spp. y Aneurinibacillus sp. para mejorar la degradación de polímeros. [13]
Existen dos enfoques para obtener consorcios microbianos que implican (i) un ensamblaje sintético desde cero mediante la combinación de varias cepas aisladas, [14] o (ii) la obtención de comunidades microbianas complejas a partir de muestras ambientales. [15] Para este último, a menudo se utiliza un proceso de enriquecimiento para obtener los consorcios microbianos deseados. [16] [17] [18] Por ejemplo, un consorcio derivado del intestino de las termitas que mostraba una alta actividad de xilanasa se enriqueció con paja de trigo cruda como única fuente de carbono, que fue capaz de transformar la lignocelulosa en carboxilatos en condiciones anaeróbicas. [19]
Aún se observan niveles relativamente altos de diversidad a pesar del uso de pasos de enriquecimiento cuando se trabaja con muestras ambientales, [18] probablemente debido a la alta redundancia funcional observada en las comunidades microbianas ambientales, siendo un activo clave de su estabilidad funcional. [20] [21] Esta diversidad intrínseca puede representar un cuello de botella en los intentos de avanzar hacia la aplicación práctica debido a (i) la posible correlación negativa con la eficiencia, [22] (ii) los tramposos microbianos reales cuya presencia no tiene impacto en la degradación, (iii) las amenazas de seguridad planteadas por la presencia de patógenos conocidos o desconocidos, y (iv) los riesgos de perder las propiedades de interés si están respaldadas por taxones raros. [23]
La utilización de consorcios microbianos con menor complejidad, pero igual eficiencia, puede conducir a procesos industriales más controlados y optimizados. [24] Por ejemplo, una gran proporción de genes funcionales se alteraron notablemente y la eficiencia de la biodegradación del diésel aumentó al reducir la biodiversidad de una comunidad microbiana de suelos contaminados con diésel. [25] Por lo tanto, es crucial encontrar estrategias confiables para reducir la diversidad hacia consorcios microbianos optimizados obtenidos de muestras ambientales. Se aplicó un enfoque de selección reductiva para construir consorcios microbianos mínimos efectivos para la degradación de lignocelulosa en función de diferentes grupos funcionales metabólicos. [24] Además, también se han empleado enfoques de selección artificial (dilución, toxicidad y calor) para obtener consorcios bacterianos. [26] Entre ellos, la dilución hasta la extinción ya ha demostrado su eficiencia para obtener consorcios microbianos funcionales a partir de agua de mar y licor ruminal. [27] [28] [29] Se espera que la dilución hasta la extinción proporcione más ventajas en comparación con el aislamiento y ensamblaje convencionales, ya que (i) genera muchas combinaciones microbianas listas para ser analizadas, (ii) incluye cepas del grupo microbiano inicial que podrían perderse debido a sesgos de cultivo/aislamiento, y (iii) asegura que todos los microbios estén físicamente presentes e interactuando espontáneamente. [30] [23]
Las microbialitas son tapetes microbianos litificados que crecen en ambientes bentónicos de agua dulce y marinos. Las microbialitas son la evidencia fosilizada más antigua conocida de vida, que data de hace 3.7 mil millones de años. [ cita requerida ] Hoy en día, las microbialitas modernas son escasas y están formadas principalmente por Pseudomonadota (anteriormente Proteobacteria), cianobacterias , bacterias reductoras de sulfato , diatomeas y microalgas . [ cita requerida ] Estos microorganismos producen compuestos adhesivos que cementan la arena y unen otros materiales rocosos para formar " tapetes microbianos " minerales. Los tapetes se construyen capa por capa, creciendo gradualmente con el tiempo. [ cita requerida ]
Aunque varios estudios han demostrado que microorganismos individuales pueden ejercer efectos beneficiosos sobre las plantas, es cada vez más evidente que cuando está involucrado un consorcio microbiano (dos o más microorganismos que interactúan), se pueden esperar resultados aditivos o sinérgicos. Esto ocurre, en parte, debido al hecho de que múltiples especies pueden realizar una variedad de tareas en un ecosistema como la rizosfera de la raíz de la planta . Los mecanismos beneficiosos de estimulación del crecimiento de las plantas incluyen una mayor disponibilidad de nutrientes, modulación de fitohormonas , biocontrol , tolerancia al estrés biótico y abiótico ) ejercidos por diferentes actores microbianos dentro de la rizosfera, como las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPB) y hongos como Trichoderma y Mycorrhizae . [31]
El diagrama de la derecha ilustra que los microorganismos de la rizosfera como las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPB), los hongos micorrízicos arbusculares (AMF) y los hongos del género Trichoderma spp. pueden establecer interacciones beneficiosas con las plantas, promoviendo el crecimiento y desarrollo de las plantas, aumentando el sistema de defensa de la planta contra patógenos, promoviendo la absorción de nutrientes y mejorando la tolerancia a diferentes estreses ambientales. Los microorganismos de la rizosfera pueden influirse entre sí, y los consorcios resultantes de PGPB + PGPB (por ejemplo, una bacteria fijadora de nitrógeno como Rhizobium spp. y Pseudomonas fluorescens ), AMF + PGPB y Trichoderma + PGPB pueden tener efectos sinérgicos en el crecimiento y la aptitud de la planta, brindándole a la planta mayores beneficios para superar el estrés biótico y abiótico. Las flechas discontinuas indican interacciones beneficiosas entre AMF y Trichoderma. [31]
La capacidad de los microbios para degradar materiales recalcitrantes se ha explorado ampliamente con fines de remediación ambiental y producción industrial. Se han logrado logros significativos con cepas individuales, pero ahora se está prestando atención al uso de consorcios microbianos debido a su estabilidad funcional y eficiencia. Sin embargo, el ensamblaje de consorcios microbianos simplificados (SMC) a partir de comunidades ambientales complejas aún está lejos de ser trivial debido a la gran diversidad y al efecto de las interacciones bióticas . [23]
Las queratinas son materiales fibrosos recalcitrantes con componentes reticulados , que representan las proteínas más abundantes en las células epiteliales . [32] Se estima que tienen un valor económico considerable después de la biodegradación . [33] Un consorcio microbiano queratinolítico eficiente (KMCG6) se enriqueció previamente a partir de una muestra ambiental a través del cultivo en medio de queratina. [18] A pesar de reducir la diversidad microbiana durante el proceso de enriquecimiento, KMCG6 todavía incluía varias OTU dispersas entre siete géneros bacterianos. [23]
En 2020, Kang et al., utilizando una estrategia basada en cultivos de enriquecimiento y dilución hasta la extinción, extrajeron de este consorcio original (KMCG6) un consorcio microbiano simplificado (SMC) con menos especies pero una actividad queratinolítica similar. [23] Se realizaron diluciones seriadas en un consorcio microbiano queratinolítico preenriquecido a partir de una muestra de suelo. Se seleccionó un régimen de dilución apropiado (10 9 ) para construir una biblioteca de SMC a partir del consorcio microbiano enriquecido. Un análisis de secuenciación adicional y ensayos de actividad queratinolítica demostraron que el SMC obtenido mostró una diversidad microbiana reducida real, junto con varias composiciones taxonómicas y capacidades de biodegradación. Más importante aún, varios SMC poseían niveles equivalentes de eficiencia queratinolítica en comparación con el consorcio inicial, lo que demuestra que se puede lograr la simplificación sin pérdida de función y eficiencia. [23]
Como se muestra en el diagrama de la derecha, el flujo de trabajo para este estudio incluyó cuatro pasos: (1) Enriquecimiento de los rasgos deseados, por ejemplo, actividad queratinolítica por selección en medio de queratina, donde la queratina es la única fuente de carbono. Este proceso se evaluó mediante evaluaciones funcionales (densidad celular, actividad enzimática y proporción del sustrato residual) y análisis de composición. (2) Se realizaron diluciones seriadas a los consorcios microbianos efectivos enriquecidos. Se prepararon seis diluciones, desde la dilución 10 2 hasta la 10 10 con 24 réplicas. La disimilitud entre diluciones se evaluó mediante el cálculo de la distancia euclidiana basada en criterios de evaluación funcional. (3) La construcción de la biblioteca se realizó a partir de la dilución que ofrecía la disimilitud óptima entre réplicas. Se seleccionó la dilución 10 9 para construir la biblioteca de SMC en este caso. (4) La selección de los SMC más prometedores se basa en la caracterización funcional y composicional. [23]
Los consorcios se encuentran comúnmente en los seres humanos, siendo los ejemplos predominantes el consorcio de la piel y el consorcio intestinal que brindan protección y ayudan en la nutrición humana. Además, se ha identificado la existencia de bacterias dentro del cerebro (que anteriormente se creía estéril), con evidencia metagenómica que sugiere que las especies encontradas pueden ser de origen entérico. [34] [35] Como las especies encontradas parecen estar bien establecidas, no tienen un impacto discernible en la salud humana y son especies que forman consorcios cuando se encuentran en el intestino, es muy probable que también hayan formado un consorcio simbiótico dentro del cerebro. [36]
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Los consorcios microbianos sintéticos (comúnmente llamados co-cultivos) son sistemas multi-poblacionales que pueden contener una amplia gama de especies microbianas y son ajustables para servir a una variedad de intereses industriales y ecológicos. Para la biología sintética , los consorcios llevan la capacidad de diseñar nuevos comportamientos celulares a un nivel de población. Los consorcios son más comunes que no en la naturaleza, y generalmente demuestran ser más robustos que los monocultivos. [37] Hasta la fecha, se han cultivado e identificado poco más de 7000 especies de bacterias. Muchas de las aproximadamente 1,2 millones de especies de bacterias que quedan aún no se han cultivado ni identificado, en parte debido a la incapacidad de ser cultivadas axénicamente . [38] Al diseñar consorcios sintéticos, o editar consorcios naturales, los biólogos sintéticos realizan un seguimiento del pH, la temperatura, los perfiles metabólicos iniciales, los tiempos de incubación, la tasa de crecimiento y otras variables pertinentes. [37]
Los consorcios son conjuntos de diferentes especies de microbios en contacto físico (y a veces bioquímico intrincado) entre sí, y están implicados en procesos biológicos que van desde el tratamiento de aguas residuales hasta el ciclo del nitrógeno marino y los procesos metabólicos dentro del rumen.
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