Papel de la Domesticación de Microbios en la Civilización del Hombre

• AUTOR : Libkind D, Hittinger C, Sampaio J y colaboradores
• TITULO ORIGINAL : Microbe Domestication and the Identification of the Wild Genetic Stock of Lager-Brewing Yeast
• CITA : Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108(35):14539-14544, Ago 2011
• MICRO : El estudio de la ecología microbiana y la genómica comparada permiten descubrir y preservar estirpes genéticas naturales de microbios domesticados en el proceso evolutivo de la civilización. Uno de los posibles beneficios sería la mejoría de las características de las levaduras que se utilizan en la fermentación cervecera y en la producción de biocombustible.

Introducción

La introducción de la agricultura y la domesticación de animales y plantas fueron características definitorias esenciales de las civilizaciones modernas y de los cambios demográficos, tecnológicos y culturales. Por ejemplo, la domesticación de la cebada en Medio Oriente fue el precursor de la cerveza moderna, en el sur de la Mesopotamia, 6000 años atrás.

La cerveza y otras bebidas alcohólicas que surgen como resultado de la fermentación, sin duda, han tenido funciones sociales y nutricionales decisivas. En este contexto, la domesticación involuntaria de algunas especies de levaduras es muy probable.

La fabricación de cerveza en Europa evolucionó durante la Edad Media y culminó con la producción de cervezas de tipo “ale”, con la participación de Saccharomyces cerevisiae, el mismo hongo que se utiliza para la producción del vino y el pan. Las cervezas de tipo “lager”, con fermentación lenta y a baja temperatura, surgieron en el siglo XV en Baviera; desde entonces, esta técnica se convirtió en la más popular para la producción de bebidas alcohólicas. La fermentación “lager” obedece a la presencia de cepas de hongos tolerantes al frío, como Saccharomyces pastorianus, una especie domesticada, generada por la fusión de la levadura “ale” S. cerevisiae y una especie desconocida del mismo hongo criotolerante. Esta levadura, probablemente un híbrido de S. cerevisiae y otras especies no identificadas, debe ser propagada por el hombre. La identificación del genoma de S. pastorianus permitirá no solo comprender la toxonomía de este importante complejo de levaduras, sino también conocer los procesos que motivaron la domesticación de los hongos “lager”.

La domesticación del ganado y los cultivos ha sido ampliamente investigada; en cambio, poco se sabe acerca de la domesticación de los microbios eucariotas. La identificación de la estirpe genética de cepas seleccionadas en el contexto de la domesticación sin duda responderá muchos interrogantes pendientes. Los linajes domesticados derivan de un subgrupo de poblaciones originales y en este proceso es posible que algunos alelos hayan desaparecido, sobre todo en los microbios que, a menudo, se propagan como clones. En la era actual, caracterizada por la biodiversidad y la destrucción acelerada del medioambiente, el descubrimiento de la existencia de variantes genéticas salvajes de microbios domesticados podría favorecer la preservación de los recursos genéticos para la mejora de los microorganismos. El presente estudio apunta a este objetivo.

Métodos

La identificación preliminar se basó en la confirmación de la producción de ascosporos del tipo de Saccharomyces. Los ascosporos aislados de S. eubayanus CRUB 1568 y S. uvarum CRUB 1595 se utilizaron para la obtención de híbridos; la hibridación se confirmó con reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y con estudio de los polimorfismos en la longitud de los fragmentos de restricción (restriction fragment length polymorphisms [RFLP]). La viabilidad interespecífica de esporas se determinó con la evaluación de 362 ascosporos generados por tres especies independientes de híbridos. La viabilidad intraespecífica se estableció con el estudio de alrededor de 100 ascosporos de cada una de las dos especies de referencia (CRUB 1568 y CRUB 1595).

Resultados y discusión

Descubrimiento de poblaciones salvajes de Saccharomyces criotolerantes

Las especies de Saccharomyces se asocian con los robles (Fagaceae), en el hemisferio norte. En las regiones templadas del hemisferio sur, incluida la región noroeste de la Patagonia, las especies del género Nothofagus (hayas) ocupan el nicho de los robles. Por lo tanto, en el estudio realizado en el noroeste de la Patagonia, en las cercanías de los Parques Nacionales Lanín y Nahuel Huapi, se evaluaron poblaciones de Nothofagus antarctica, N. dombeyi N. pumpilio y Cyttaria hariotti (un parásito obligado de las especies de Nothofagus), ricos en azúcares, que aportan un hábitat favorable para el crecimiento de las levaduras.

Entre 2006 y 2008 se obtuvieron en total 123 cepas de Saccharomyces tolerante al frío y dos de S. cerevisiae. En el primer caso se determinó la secuencia de ADN de genes individuales mediante PCR y se analizaron los RFLP. De esta forma se identificaron esencialmente dos grandes grupos; el grupo A se relacionó con S. bayanus (78 cepas), en tanto que el grupo B se vinculó con S. uvarum (45 cepas). La ocupación casi completa del nicho de Nothofagus por especies tolerantes al frío difiere de la biogeografía de Saccharomyces en el nicho de robles del hemisferio norte, donde se aislaron alrededor de 240 cepas de esta levadura en más de 500 muestras de robles. Las especies simpátricas tendieron a presentar preferencias de crecimiento en relación con la temperatura. La detección de especies criotolerantes y la ausencia casi total de especies tolerantes al calor en la Patagonia sugieren que dicho ecosistema es bastante inusual, probablemente en relación con las temperaturas promedio anuales relativamente bajas en los sitios en los cuales se obtuvieron las muestras para el estudio.

Aislamiento ecológico y genético de dos especies criotolerantes

La detección de dos especies simpátricas criotolerantes estrechamente relacionadas motivó el análisis genético, mediante la valoración de la esterilidad meiótica de híbridos de las dos poblaciones. La viabilidad de las esporas estuvo entre el 89% y el 91%, pero los híbridos solo generaron un 7.3% de esporas viables, de modo que pueden considerarse dos especies biológicas diferentes, aunque fenotípicamente indistinguibles.

Secuencias genómicas y taxonomía de Saccharomyces

Saccharomyces bayanus, S. pastorianus y S. uvarum solo fueron aislados de procesos de fermentación asociados con los seres humanos. Con la finalidad de identificar las cepas aisladas en la Patagonia se analizaron secuencias genómicas completas de una especie representativa de cada caso y de varias cepas que se utilizan para la fermentación de la cerveza; la secuencia genómica de S. uvarum se utilizó como referencia.

S. eubayanus sp. nov es la cepa genética salvaje faltante de S. pastorianus

Saccharomyces eubayanus sp. nov fue denominada de esta forma por su similitud con S. bayanus, un complejo híbrido de S. eubayanus, S. uvarum y S. cerevisiae, que se aísla únicamente en el proceso de fermentación.

Las dos especies patagónicas difieren en un 6% a un 8% de los nucleótidos de los genomas (divergencia promedio del 6.89%). La uniformidad de la divergencia de la secuencia genómica sugiere poca o ninguna introgresión genética entre las especies de la Patagonia, en concordancia con la escasa viabilidad de las esporas. Una de las cepas se vinculó fuertemente con la cepa de referencia de S. uvarum, con divergencia promedio del 0.52%; la otra estuvo fuertemente relacionada con especies no S. cerevisiae y con el genoma de la levadura “lager” S. pastorianus, con divergencia promedio del 0.44%. A diferencia de las especies esencialmente puras, el componente principal del genoma de S. bayanus es S. uvarum (67%), aunque otras especies contribuyen de manera sustancial (33%).

No se encontraron indicios de introgresión, hibridación o transferencia horizontal de genes, de modo que no existirían genes extranjeros ni en la cepa patagónica ni en la cepa tipo S. uvarum.

En virtud de las diferencias ecológicas francas y en la constitución genética entre las especies de híbridos y la especie relativamente pura, los autores sugieren que el linaje patagónico salvaje representa una especie diferente: S. eubayanus sp. nov. Asimismo, los análisis de la secuencia genómica demuestran que S. eubayanus es el donante del subgenoma no S. cerevisiae de S. pastorianus y excluyen la contribución de especies desconocidas “lager”. Los datos en conjunto sugieren que la especie híbrida habría surgido por la contribución de mezclas de alelos de S. uvarum, S. eubayanus y S. cerevisiae.

Proceso de domesticación

La domesticación de cultivos y de ganado consiste en la selección de especies con características más favorables; por lo tanto, las cepas domesticadas difieren genéticamente de los antecesores naturales y son más útiles para los seres humanos. La secuencia genómica de S. eubayanus es en un 99.5% idéntica a la porción no S. cerevisiae de S. pastorianus y sugiere cambios específicos en el metabolismo de los azúcares y los sulfitos, esenciales para la domesticación en el ámbito de la fermentación “lager”.

El análisis ecológico y genómico comparativo demostró que S. bayanus incluye un grupo de especies híbridas que solo se aíslan en el ambiente de la fermentación industrial, mientras que S. eubayanus existe como una especie esencialmente pura en condiciones naturales de la Patagonia.

Según el modelo propuesto por los autores, en el contexto de la fermentación “lager” durante el siglo XV, el genoma salvaje de S. eubayanus se fusionó progresivamente con el genoma de S. cerevisiae tipo “ale” y se generaron híbridos alotetraploides. Llamativamente, en Europa originariamente nunca se aislaron especies de S. eubayanus, hasta que estas fueran introducidas por medio del comercio transatlántico. Por el contrario, S. uvarum ha sido frecuentemente aislada de sustratos artificiales (fermentación) y naturales (insectos).

En términos taxonómicos, los autores proponen que S. uvarum y S. eubayanus deberían considerarse indicadores de especies biológicamente relevantes, en tanto que S. bayanus y S. pastorianus serían solo especies “domesticadas” o híbridas.

Conclusión

La identificación de los cambios que tuvieron lugar durante la evolución y el conocimiento de los genomas ancestrales seguramente permitirán una mejor comprensión del papel de las bebidas fermentadas en la civilización de los seres humanos. Es posible que también contribuyan a mejorar las características de las levaduras que se utilizan en la fermentación cervecera y en la producción de biocombustible.

Ref : NUTRI.

Especialidad: Bibliografía - Nutrición