Toxicomicrobiómica: análisis de rutas metabólicas detoxificantes, enzimas y compuestos bioactivos de la microbiota intestinal humana con potencial aplicación en la industria alimentaria

Abstract

La microbiota intestinal humana, compuesta por una gran diversidad de microorganismos, tiene importantes implicaciones en la fisiología del hospedador, influyendo en la nutrición, metabolismo, inmunología y en definitiva en la modulación de los estados de salud y enfermedad. Cada vez es más evidente la existencia de correlaciones entre la disbiosis de la microbiota intestinal, los metabolitos que esta produce y su impacto en diversos trastornos fisiológicos, condicionando la aparición de enfermedades de distinta naturaleza. Además, la exposición a los xenobióticos o compuestos químicos artificiales, con su potencial impacto adverso, se han relacionado con posibles alteraciones en la composición microbiana y los perfiles metabólicos en múltiples contextos de los individuos. Como consecuencia, tanto la evaluación de la variabilidad en la composición de microorganismos de la microbiota asociados a los estados de salud y enfermedad, como las interconexiones e interacciones de microbiota-metabolitosxenobióticos- condición fisiológica, se han establecido como dianas de búsqueda de recursos para la intervención en el campo de la prevención y corrección de estados fisiológicos alterados. En este contexto, se ha producido el surgimiento de nuevos compuestos bioactivos y taxones como probióticos de nueva generación (NGP) y su utilización para modular parámetros nutricionales, metabólicos y clínicos de interés. Como consecuencia de la enorme heterogeneidad taxonómica que caracteriza a la microbiota intestinal humana, numerosos autores la han considerado como una fuente de recursos biotecnológicos que aún no ha sido totalmente explorada, lo que la convierte en uno de los nichos microbianos con mayor potencial a la hora de llevar a cabo la identificación y aislamiento de nuevos microorganismos, nuevas enzimas, compuestos bioactivos y otras sustancias de interés biotecnológico aplicables en el área de nutrición, medio ambiente y biomedicina. La investigación realizada ha permitido evaluar la variación de taxones microbianos en diferentes trastornos fisiológicos humanos, así como la existencia de correlaciones entre la microbiota, metabolitos y los estados de salud. Además, se ha explorado el impacto de los xenobióticos sobre la microbiota y producción de metabolitos en modelos animales, y el potencial de los NGP en la modulación de perfiles metabólicos que pueden implicar una mejora de estados de salud en modelos murinos. A través de un análisis de genomas completos, se evaluaron los genes codificadores de enzimas y proteínas con potencial biotecnológico e industrial de los principales aislados de microbiota intestinal humana que toleraban o degradaban diversos xenobióticos derivados de plásticos presentes en la naturaleza y que se incorporan a través de la dieta, con especial énfasis en la degradación de bisfenol A (BPA). Además, se ha investigado la capacidad biosintética de múltiples enzimas hidrolíticas, exopolisacáridos (EPS), así como compuestos bioactivos con características antimicrobianas. Estos resultados teóricos se contrastaron con análisis experimentales, los cuales demostraron que algunos de estos aislados tienen la capacidad de sintetizar enzimas y antimicrobianos que podrían ser aplicables en contextos reales.

The human intestinal microbiota, composed of a diverse array of microorganisms, has significant implications for host physiology, influencing nutrition, metabolism, immunology, and ultimately the modulation of health and disease states. Increasingly, correlations between dysbiosis of the intestinal microbiota, the metabolites it produces, and their impact on various physiological disorders are becoming evident, affecting the onset of different diseases. Additionally, exposure to xenobiotics or artificial chemical compounds, with their potential adverse impact, has been linked to possible alterations in microbial composition and metabolic profiles in multiple contexts. As a result, both the evaluation of variability in microbiota composition associated with health and disease states and the interconnections and interactions between microbiota, metabolites, xenobiotics, and physiological conditions have become targets for resource search in the field of prevention and correction of altered physiological states. In this context, there has been a rise in new bioactive compounds and taxa, such as next-generation probiotics (NGPs), and their use to modulate nutritional, metabolic, and clinical parameters of interest. Due to the enormous taxonomic heterogeneity that characterizes the human intestinal microbiota, many researchers have considered it a source of biotechnological resources that has not yet been fully explored, making it one of the microbial niches with the greatest potential for identifying and isolating new microorganisms, new enzymes, bioactive compounds, and other biotechnological substances applicable in the fields of nutrition, environment, and biomedicine. The research conducted allowed the evaluation of the variation in microbial taxa in different human physiological disorders, as well as the existence of correlations between the microbiota, metabolites, and health states. Additionally, the impact of xenobiotics on the microbiota and metabolite production in animal models has been explored, along with the potential of NGPs to modulate metabolic profiles that could imply improved health states in murine models. Through a comprehensive genomic analysis, genes encoding enzymes and proteins with biotechnological and industrial potential from major human intestinal microbiota isolates that tolerate or degrade various xenobiotics derived from plastics present in nature and incorporated through the diet were evaluated, with a particular focus on bisphenol A (BPA) degradation. Furthermore, the biosynthetic capacity of multiple hydrolases, exopolysaccharides (EPS), and bioactive compounds with antimicrobial characteristics was investigated. These theoretical results were contrasted with experimental analyses, which demonstrated that some of these isolates have the ability to synthesize enzymes and antimicrobials that could be applicable in real-world contexts.