Nuevos conocimientos sobre el papel de los polifenoles en el microbioma del suelo

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Las frutas, las verduras, el vino tinto y el chocolate son ricos en polifenoles, compuestos vegetales naturales que también actúan como antioxidantes que combaten el cáncer. Podemos acceder a los beneficios para la salud de estos alimentos porque los microbios en nuestro intestino se alimentan felizmente de ellos, descomponiéndolos en componentes químicos más pequeños.

Los científicos de microbioma de la Universidad Estatal de Colorado querían saber si los microbios también pueden descomponer esos mismos polifenoles en sistemas fuera del cuerpo humano, incluido el salvaje oeste microbiano de los suelos.

Un equipo de investigación dirigido por Kelly Wrighton, profesora asociada en el Departamento de Ciencias del Suelo y los Cultivos de la Facultad de Ciencias Agrícolas, ha descubierto nuevos conocimientos sobre el papel de los polifenoles en el microbioma del suelo, conocido como la caja negra debido a su complejidad. Proponen una teoría actualizada de que los suelos, al igual que el intestino humano, pueden ser fuentes de alimento para los microbios que viven allí. Sus hallazgos podrían anular una teoría de larga data de que, bajo ciertas condiciones, los microbios del suelo no pueden acceder a los polifenoles y, por lo tanto, podrían usarse como trampas de carbono para reducir los gases de efecto invernadero en la atmósfera.

“Nuestro estudio abre la puerta a más estudios sobre el metabolismo de los polifenoles en el campo y cómo se adapta a los ciclos naturales del carbono”, dijo la candidata al doctorado Bridget McGivern, primera autora del artículo que describe el trabajo.

Publicado en Comunicaciones de la naturaleza, la investigación involucró muestras de suelo monitoreadas con precisión y sometidas a una variedad de químicos analíticos de muy alta resolución en el laboratorio. Los investigadores intentaron demostrar el concepto de que los microbios en el suelo, en condiciones libres de oxígeno, en realidad descomponen los polifenoles, posiblemente liberando dióxido de carbono.

Estos experimentos contrastan con la vieja teoría del “bloque enzimático” de que los microbios del suelo no metabolizan los polifenoles cuando el oxígeno no está disponible libremente en lugares como humedales inundados y ciénagas. Si fuera cierto que los polifenoles permanecen sin digerir en suelos libres de oxígeno, significaría que cargar los suelos con estos compuestos fibrosos podría ser un sumidero fácil para atrapar carbono.

“Sabemos que los polifenoles son muy pegajosos, por lo que la gente pensó que al estar en el suelo, no solo no se descompondrían, sino que se adherirían a otros carbones y enzimas del suelo y evitarían una mayor degradación de todo lo demás”, dijo McGivern. “Entonces, si tuvieras un sistema roto como un humedal degradado, podrías ingresar y agregar astillas de madera al sistema, inundarlo nuevamente y bloquear todo el carbono”.

Pensando en el suelo

Wrighton comenzó a pensar en cómo se comportan los polifenoles en los sistemas del suelo mientras era miembro de la facultad en la Universidad Estatal de Ohio; se unió a la facultad de CSU en 2018.

No podía evitar el hecho de que esta teoría de la restricción enzimática en los suelos no tenía sentido, basándose en lo que sabemos sobre cómo se descomponen los polifenoles en nuestros intestinos, que también son ambientes libres de oxígeno. Para entonces, Wrighton se había convertido en un experto en los microbiomas intestinales de los alces, rumiantes que han evolucionado durante millones de años para aprovechar al máximo los compuestos polifenólicos en sus dietas herbívoras.

“La descomposición de los polifenoles debe tener lugar en el intestino para acceder a esos antioxidantes y apreciar el chocolate y el vino tinto y todos sus beneficios”, dijo Wrighton, quien recibió un premio CAREER de la National Science Foundation hace varios años para estudiar los polifenoles. “Pero entonces hubiéramos ido a este otro ecosistema, que tenía un paradigma completamente diferente de cómo se comportaban estos compuestos. No pudimos racionalizarlo”.

Por supuesto, podría ser que la complejidad inherente del entorno del suelo haya proporcionado alguna otra razón por la que los polifenoles se comportan de manera diferente allí, especuló Wrighton. Con su hipótesis en la mano y las herramientas químicas de alta resolución disponibles, ella y McGivern se propusieron probar si los microbios en el suelo podían, de hecho, descomponer los polifenoles en condiciones libres de oxígeno.

Sus experimentos de laboratorio controlados, respaldados por un grupo de expertos que los ayudaron a analizar lo que estaban viendo, demostraron que tenían razón.

laberinto químico

Wrighton y McGivern se asociaron con la experta en polifenoles del suelo Ann Hagerman de la Universidad de Miami en Ohio para abordar el problema. Los colaboradores del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía realizaron la secuenciación metagenómica del microbioma del suelo del equipo de CSU, proporcionando al equipo una instantánea de cada gen encontrado en la comunidad microbiana. Otros colaboradores del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE realizaron la metaproteómica, que proporcionó información sobre qué proteínas estaban siendo expresadas por qué genes en las muestras.

El equipo de investigación, con contribuciones críticas de Trent Northen del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Malak Tfaily de la Universidad de Arizona, profundizó en tres tipos de química de alta resolución que identifica metabolitos, todo con el objetivo de mostrar qué tan grandes y complejos son los compuestos polifenólicos los compuestos se separaron de los microbios en sus componentes de moléculas pequeñas. Y tenían que aclarar qué moléculas provenían de polímeros orgánicos y cuáles eran el ruido de fondo de la matriz del suelo.

“Fue este laberinto químico que siguió a estos compuestos”, dijo Wrighton.

Próximos pasos: permafrost

Ahora que el equipo ha demostrado, en un laboratorio, que los polifenoles son fuentes de alimento para los microbios del suelo en zonas libres de oxígeno, el siguiente paso lógico es mostrar el mismo comportamiento en el campo. El equipo recibió recientemente una subvención para probar sus teorías dentro de un sistema de permafrost en Suecia, junto con otro equipo de colaboradores. Muchos creen que descongelar el permafrost tiene el mayor potencial para reducir los gases de efecto invernadero a través del bloqueo de carbono, por lo que comprender cómo funcionan estos sistemas de suelo es fundamental, según Wrighton y McGivern.

Pero primero, McGivern trabajará en la construcción de una infraestructura computacional que clasifique e identifique mejor las diferentes enzimas asociadas con el metabolismo polifenólico microbiano, información que no está ampliamente disponible en las bases de datos públicas.

“Mi próximo proyecto es básicamente construir un módulo de polifenoles para conectarlo a una infraestructura de anotación existente en nuestro laboratorio, de modo que si alguien entra y toma nota de su genoma, comenzará a ver el metabolismo de los polifenoles”, dijo McGivern.

¿Qué pasa con el banco de pruebas que usará para construir ese sistema? El microbioma intestinal humano.

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