domingo, 27 de septiembre de 2015

La enciclopedia genómica de bacterias y arqueas

Objetivo: secuenciar miles de cepas tipo

La Tierra es un planeta microbiano. Los microorganismos sostienen la vida en la Tierra. Nada seria igual si no fuera por los microbios. De alguna forma podemos decir que los microbios dominan la Tierra, mantienen los ciclos biogeoquímicos y el resto de la vida en el planeta. Sin ellos, la vida no sería como la conocemos. Ellos tiene los secretos del origen de la vida, están aquí desde hace unos 3.500 millones de años, nos han precedido y nos sobrevivirán. Pero además son esenciales para nuestro futuro, gracias a ellos y a sus genes podremos encontrar la solución a muchos de nuestros problemas y enfermedades.


A pesar de su importancia, todavía sabemos muy poco del mundo microbiano. En el proyecto Tree of Life, los microbios sólo representan una pequeña proporción, la mayoría de las ramas del árbol de la vida se ocupan de los seres vivos que han aparecido en el planeta los últimos 550 millones de años, pero la evolución biológica comenzó hace 3.500 millones de años con los microbios. Por eso, la inmensa mayoría de las ramas del este árbol son microbios. Lo apasionante es que la mayoría de este mundo microbiano todavía nos es desconocido.

Desde que comenzaron los proyectos de secuenciación de genomas microbianos, y hasta 2009, la mayoría de estos proyectos se elegían por razones prácticas: se secuenciaban los genomas de aquellos microbios que tenía interés médico (porque eran patógenos o potenciales probióticos) y biotecnológico/industrial. Los primeros proyectos de secuenciación se olvidaron de la mayoría de la diversidad microbiana del planeta. Por eso, ya es hora de que comience un proyecto sistemático y coordinado de secuenciación del mundo microbiano. Y esto es lo que proponen un números grupo de investigadores (1): coordinarse para secuenciar el genoma de cada uno de los representantes o cepas tipo de cada especia de Bacteria y Archaea, cuyos nombres están validados por el Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana (International Code of Nomenclature of Bacteria), aproximadamente unas 11.000 especies.

Actualmente existen unas 11.000 especies de bacterias y arqueas cuyos nombres están oficialmente validados.

¿Qué es una cepa tipo? La cepa tipo no es el representante arquetipo de una especie, como algunos mal interpretan. Una cepa tipo es el aislamiento original de una bacteria o arquea depositado en una colección de cultivo oficial, obtenido en cultivo puro.  La cepa tipo juega un papel esencial en la definición filogenética y taxonómica de bacterias y arqueas, y permite asignar relaciones evolutivas e identificar nuevas especies. Para definir una nueva especie microbiana es obligatorio su depósito en una colección de cultivo oficial, que permita verificar los resultados y ampliar su estudio conforme la tecnología avanza, empleando  el mismo material biológico original. En España la Colección Española de Cultivo Tipo (CECT) se encuentra en la Universidad de Valencia.

Es necesario conseguir un catálogo genómico de todas las bacterias y arqueas cultivables.

Actualmente, existen unos 25.000 proyectos de secuenciación de genomas de bacterias y arqueas, de los que solo 3.285 corresponden a cepas tipo. Esto supone que el 70% de las cepas tipo no está siendo secuenciado. Hay que tener en cuenta que cada año se validan unas 650 especies nuevas de bacterias y arqueas. Por lo tanto, la primera fase de este proyecto (GEBA-type strain) supone la secuenciación de las 7.830 cepas tipo que siguen sin secuenciar. Además, las cepas que se vayan incorporando cada año, también entrarían en el proyecto. La ventaja es que dentro de muy poco va a ser más fácil secuenciar todo el genoma de una bacteria que hacer toda la caracterización fenotípica clásica que requiere la descripción de una nueva especie bacteriana.


Árbol filogenético de Bacteria. Fuente: Nature 462,1056-1060.

Se suele afirmar que los microorganismos cultivables en el laboratorio representan sólo menos del 1% de todas las bacterias y arqueas del planeta. En realidad, todos los proyectos de secuenciación actuales sólo representan menos del 2,8 % de toda la diversidad microbiana conocida.

Hoy en día ningún grupo de investigación, ninguna colección de cultivo, ni ninguna agencia de financiación por si sola podría llevar a cabo este proyecto de secuenciación de todas las cepas tipo. Se quiere, por tanto, la colaboración internacional. El reto es crear una colaboración global capaz de seleccionar los proyectos más importantes, eliminar las repeticiones y establecer unos estándares internacionales, que validen los sistemas de secuenciación, ensamblaje, anotación y recolección de meta datos. Con muy pocas excepciones, esos estándares comunes no existen. Sin esto, la investigación del mundo microbiano va a ser como navegar sin mapa o sin GPS que ayuden a fijar el rumbo.

En muchos casos, más de un tercio de los genes que tiene una bacteria o arquea son de función desconocida. El descubrimiento de nuevos genes, nuevas funciones y nuevas rutas metabólicas no solo mejorará nuestro conocimiento de la evolución microbiana sino que, sobre todo, abrirá nuevas oportunidades para la biomedicina, la salud, la biotecnología y la industria.

Los microbios todavía nos pueden sorprender y guardar muchos secretos que nos pueden ser muy útiles.

Proyectos de colaboración de secuenciación de genomas microbianos:

Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea (GEBA), que ha secuenciado unos 250 genomas en un programa piloto.

CyanoGEBA, sobre la secuenciación de 54 genomas de cyanobacterias.

GEBA-Microbial Dark Matter (GEBA-MDM), sobre la secuenciación de bacterias y arqueas no cultivables (la materia oscura del mundo microbiano), con 201 candidatos.


El proyecto de secuenciación del microbioma humano, los microbios de nuestro cuerpo, con los proyectos HMP (Human Microbiome Project) y el consorcio IHMC (International Human Microbiome Consortium), con más de 3.000 aislamientos.


El proyecto de secuenciar mil genomas microbianos en tres años, Ten Thousand Microbial Genomes Project, del Beijing Genomics Institute.

Un proyecto de colaboración entre Sanger Institute y la colección de cultivos tipo inglesa (NTCT), para secuenciar 3.000 cepas bacterianas de la colección.

Los proyectos para analizar y secuenciar la población microbiana del suelo: Terragenome Project del consorcio International Soil Metagenome Sequencing Consortium y el proyecto Earth Microbiome Project (MEP).



(1) Genomic encyclopedia of Bacteria and Archaea: sequencing amyriad of type strains. Kyrpides, N. C., et al. PLoS Biology. 2014. 12(8): e1001920
doi: 10.1371/journal.pbio.1001920.

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