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Materia oscura microbiana

La materia oscura microbiana [1] [2] (MDM) comprende la gran mayoría de los organismos microbianos (generalmente bacterias y arqueas ) que los microbiólogos no pueden cultivar en el laboratorio, debido a la falta de conocimiento o capacidad para proporcionar las condiciones de crecimiento requeridas. La materia oscura microbiana es análoga a la materia oscura de la física y la cosmología debido a su elusividad en la investigación y su importancia para nuestra comprensión de la diversidad biológica. La materia oscura microbiana se puede encontrar de forma ubicua y abundante en múltiples ecosistemas, pero sigue siendo difícil de estudiar debido a las dificultades para detectar y cultivar estas especies, lo que plantea desafíos a los esfuerzos de investigación. [3] Es difícil estimar su magnitud relativa, pero la estimación general aceptada es que tan solo el uno por ciento de las especies microbianas en un nicho ecológico dado son cultivables. En los últimos años, se han dirigido más esfuerzos a descifrar la materia oscura microbiana mediante la recuperación de secuencias de ADN del genoma de muestras ambientales a través de métodos independientes del cultivo, como la genómica de células individuales [4] y la metagenómica . [5] Estos estudios han permitido obtener información sobre la historia evolutiva y el metabolismo de los genomas secuenciados, [6] [7] lo que ha proporcionado un conocimiento valioso necesario para el cultivo de linajes de materia oscura microbiana. Sin embargo, la investigación sobre la materia oscura microbiana sigue relativamente poco desarrollada y se plantea la hipótesis de que proporcionará información sobre procesos radicalmente diferentes de la biología conocida, nuevos conocimientos sobre las comunidades microbianas y una mayor comprensión de cómo sobrevive la vida en entornos extremos. [8]

Historia del término

Nuestra comprensión actual de la materia oscura microbiana nació de un campo que aún enfrentaba limitaciones con el cultivo de microbios tradicionales. Una de las principales limitaciones de esta época era una dependencia excesiva del uso de métodos de cultivo. Esta dependencia excesiva significaba que una gran cantidad de diversidad microbiana aún estaba por descubrir. Sin embargo, a fines del siglo XX, nuevos avances en técnicas moleculares llevaron a un aumento en el descubrimiento de microbios no cultivados. A pesar de esta nueva diversidad, una gran mayoría de especies microbianas siguen sin caracterizarse. [9] Este hecho fue demostrado aún más por el desarrollo de técnicas avanzadas de secuenciación genómica a principios del siglo XXI que descubrieron una mayor cantidad de diversidad microbiana de lo que se creía anteriormente. [8]

Métodos para estudiar la materia oscura microbiana

Metagenómica

La metagenómica es una técnica en el campo de los estudios microbianos que nos permite secuenciar ADN directamente a partir de muestras de entornos microbianos. Esta técnica innovadora nos permite identificar el material genético de microbios desconocidos y evitar la dependencia excesiva del uso de cultivos. El uso de la metagenómica se diferencia de otros métodos microbianos en que utiliza una descripción amplia mediante el uso de muestras a granel. Esta técnica ha ampliado nuestra comprensión de las funciones microbianas en los ecosistemas mediante el descubrimiento de nuevos genes y vías metabólicas. [10]

Genómica de células individuales

Los métodos de genómica unicelular han demostrado ser prometedores en apoyo de los enfoques metagenómicos al permitir el estudio de células microbianas individuales aisladas de sus entornos naturales, un método que se ha empleado para descubrir la diversidad genómica y funcional dentro de las comunidades microbianas, en particular aquellas que no se pueden cultivar. Las técnicas unicelulares también han identificado con éxito numerosas nuevas ramas en el árbol de la vida, lo que ha permitido comprender mejor las lagunas en el conocimiento filogenético actual y el potencial metabólico de estos organismos. [11]

Técnicas de cultivo mejoradas

A pesar del auge de los métodos independientes del cultivo como métodos exitosos para la investigación de la materia oscura, las mejoras en las técnicas de cultivo siguen siendo relevantes y necesarias para mejorar la comprensión actual de los microbios MRM. Hasta el momento, los avances en métodos como los medios de crecimiento altamente específicos para imitar los entornos microbianos naturales y el cocultivo de especies microbianas sinérgicas han demostrado ser exitosos en el estudio de microbios que antes no se podían cultivar. Estos avances también sirven para facilitar la aplicación de la investigación MRM en usos biotecnológicos y fisiológicos. [12]

Herramientas computacionales

Los estudios genómicos producen grandes cantidades de datos para analizar. Este análisis requiere el uso de componentes computacionales avanzados. La subdisciplina científica de la bioinformática utiliza tecnología computacional para recolectar genomas y realizar análisis sobre las vías metabólicas. En los últimos años, la investigación sobre inteligencia artificial y aprendizaje automático ha producido nuevas formas de aumentar nuestra capacidad para predecir el comportamiento de las especies microbianas utilizando sus datos genéticos. [13] Estos nuevos desarrollos en el mundo de las herramientas computacionales nos han permitido comprender mejor la estructura y la dinámica presentes en las comunidades microbianas.

Microbios con ADN muy inusual

Se ha sugerido que cierto material genético de materia oscura microbiana podría pertenecer a un nuevo (es decir, cuarto) dominio de la vida, [14] [15] aunque también son posibles otras explicaciones (por ejemplo, el origen viral), lo que tiene vínculos con la cuestión de una hipotética biosfera en la sombra . [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Filee, J.; Tetart, F.; Suttle, CA; Krisch, HM (2005). "Bacteriófagos marinos de tipo T4, un componente ubicuo de la materia oscura de la biosfera". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 102 (35): 12471–12476. Bibcode :2005PNAS..10212471F. doi : 10.1073/pnas.0503404102 . ISSN  0027-8424. PMC  1194919 . PMID  16116082.
  2. ^ Universidad de Tennessee en Knoxville (25 de septiembre de 2018). «Estudio: la materia oscura microbiana domina los entornos de la Tierra». Eurekalert! (Nota de prensa) . Consultado el 26 de septiembre de 2018 .
  3. ^ Dorminey, Bruce. "La 'materia oscura' microbiana aún elude a los astrobiólogos de la Tierra". Forbes . Consultado el 6 de mayo de 2024 .
  4. ^ Rinke, Christian (2018). "Genómica unicelular de la materia oscura microbiana". En Robert G. Beiko; Will Hsiao; John Parkinson (eds.). Análisis del microbioma: métodos y protocolos . Métodos en biología molecular. Vol. 1849. Nueva York: Springer New York. págs. 99–111. doi :10.1007/978-1-4939-8728-3_7. ISBN 978-1-4939-8728-3. Número PMID  30298250.
  5. ^ Jiao, Jian-Yu; Liu, Lan; Hua, Zheng-Shuang; Fang, Bao-Zhu; Zhou, En-Min; Salam, Nimaichand; Hedlund, Brian P; Li, Wen-Jun (1 de marzo de 2021). "La materia oscura microbiana sale a la luz: desafíos y oportunidades". National Science Review . 8 (3): –280. doi :10.1093/nsr/nwaa280. ISSN  2095-5138. PMC 8288357 . PMID  34691599. 
  6. ^ Hedlund, Brian P.; Dodsworth, Jeremy A.; Murugapiran, Senthil K.; Rinke, Christian; Woyke, Tanja (2014). "Impacto de la genómica y metagenómica de células individuales en la visión emergente de la "materia oscura microbiana" extremófila"". Extremófilos . 18 (5): 865–875. doi :10.1007/s00792-014-0664-7. ISSN  1431-0651. PMID  25113821. S2CID  16888890.
  7. ^ Rinke, Christian; et, al. (2013). "Información sobre la filogenia y el potencial de codificación de la materia oscura microbiana". Nature . 499 (7459): 431–437. Bibcode :2013Natur.499..431R. doi : 10.1038/nature12352 . hdl : 10453/27467 . PMID  23851394. S2CID  4394530.
  8. ^ ab Bernard, G., Pathmanathan, J., Lannes, R., Lopez, P. y Bapteste, E. (2018). Investigaciones sobre materia oscura microbiana: cómo los estudios microbianos transforman el conocimiento biológico y esbozan empíricamente una lógica de descubrimiento científico. Genome Biology and Evolution , 10. https://doi.org/10.1093/gbe/evy031
  9. ^ Amann, RI, Ludwig, W., y Schleifer, KH (1995). Identificación filogenética y detección in situ de células microbianas individuales sin cultivo. Microbiological Reviews, 59 (1), 143-169.
  10. ^ Quince, C., et al. (2017). Metagenómica de escopeta, del muestreo al análisis. Nature Biotechnology, 35 (9), 833-844. https://doi.org/10.1038/nbt.3935
  11. ^ Stepanauskas, R. (2012). Genómica de células individuales: una mirada individual a los microbios. Current Opinion in Microbiology, 15 (5), 613-620. https://doi.org/10.1016/j.mib.2012.09.001
  12. ^ Zengler, K., et al. (2002). Cultivando lo inculto. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 99 (24), 15681-15686. https://doi.org/10.1073/pnas.252630999
  13. ^ Nayfach, S., et al. (2021). Un catálogo genómico de los microbiomas de la Tierra. Nature Biotechnology, 39 , 499-509. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0718-6
  14. ^ Wu D, Wu M, Halpern A, Rusch DB, Yooseph S, Frazier M, Venter JC, Eisen JA (marzo de 2011). "A la caza del cuarto dominio en datos metagenómicos: búsqueda, descubrimiento e interpretación de nuevas ramas profundas en árboles filogenéticos de genes marcadores". PLOS ONE . ​​6 (3): e18011. Bibcode :2011PLoSO...618011W. doi : 10.1371/journal.pone.0018011 . PMC 3060911 . PMID  21437252. 
    • Colin Barras (18 de marzo de 2011). "La 'materia oscura' de la biología sugiere un cuarto dominio de la vida" . New Scientist .
  15. ^ Lopez P, Halary S, Bapteste E (octubre de 2015). "Las familias de genes antiguos altamente divergentes en muestras metagenómicas son compatibles con divisiones adicionales de la vida". Biology Direct . 10 : 64. doi : 10.1186/s13062-015-0092-3 . PMC 4624368 . PMID  26502935. 
    • Colin Barras (11 de noviembre de 2015). "Los microbios misteriosos de nuestro intestino podrían ser una forma de vida completamente nueva" . New Scientist .
  16. ^ Schulze-Makuch, Dirk (28 de febrero de 2017). "¿Podría haber vida extraterrestre escondida a nuestro alrededor?". Revista Smithsonian . Instituto Smithsonian . Consultado el 30 de noviembre de 2023 .

[1]

Enlaces externos

  1. ^ Quince, C., et al. (2017). Metagenómica de escopeta, del muestreo al análisis. Nature Biotechnology, 35 (9), 833-844. https://doi.org/10.1038/nbt.3935