viernes 18 de setiembre de 2015
https://www.quantamagazine.org/20150917-nancy-moran-symbiosis/
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EEUU. Un explorador de las asociaciones más profundas de la vida
La bióloga Nancy Morán ha dedicado su carrera a investigar la naturaleza sorprendente de simbiosis, un fenómeno en el que dos especies se parecen fundirse en una.
Bill McCullough para Quanta Revista
Nancy Morán inspecciona algunas de las abejas en su colmena en la azotea de la Universidad de Texas, Austin.
Hace dos años, Nancy Moran se mudó de la Universidad de Yale a la Universidad de Texas, Austin, junto con 120.000 abejas. Las abejas son famosos por vivir en grandes grupos sociales, pero Moran estaba interesado en algo más que la colmena: Ella está profundizando en el ecosistema diverso de bacterias que se desarrolló junto con las abejas, un grupo que contribuye a la salud de las colmenas y su resistencia a la infección .
Las abejas y sus microbiota son sólo un ejemplo de simbiosis - una estrecha relación entre dos especies que normalmente ayuda a ambos. La simbiosis puede tomar una variedad de formas. Peces limpiadores recorren la piel muerta de otros peces y ganan una comida en el proceso. Las miríadas de microbios que viven dentro de nuestras entrañas nos ayudan a digerir ciertos alimentos.
Pero gran parte de la obra de Moran se ha centrado en un tipo más profundo de la asociación, que involucra microbios conocidos como endosimbiontes que se transmiten de su anfitrión a su descendencia. Con su colaborador Paul Baumann, un bacteriólogo de la Universidad de California, Davis, Moran descubrió la naturaleza fuertemente entrelazada de estas relaciones huésped-microbio. Muchas parejas han vuelto completamente dependientes entre sí, algunos genes, incluso intercambiando. Su investigación se centra en gran medida de los pulgones, insectos se alimentan de savia que infestan las plantas. Los áfidos no pueden sobrevivir sin un microbio llamado Buchnera aphidicola, que vive dentro del insecto y le proporciona los nutrientes esenciales.
Bill McCullough para Quanta Revista
Moran examina las abejas para ver si comen las heces de los demás.
Moran está haciendo un trabajo similar con las abejas, y su investigación eventualmente podría ayudar a los científicos a entender el desorden del colapso de colonias, la misteriosa plaga devastadora poblaciones de abejas. Moran espera la perspectiva de un biólogo evolutivo que también proporcionará información importante sobre el funcionamiento del microbioma humano - la colección de microbios que viven en y dentro de nosotros - que se ha convertido en un tema candente en la salud humana.
Quanta Revista habló con Moran en julio en la Sociedad para la Biología Molecular y Evolución conferencia en Viena, donde presentó su más reciente investigación sobre las abejas. Una versión editada y condensada de la entrevista a continuación.
REVISTA QUANTA: ¿Cuál fue el campo de la simbiosis como cuando empezó en la década de 1980?
NANCY MORAN: Fue un tema marginal en biología en el momento. La mayoría de los simbiontes no se pueden estudiar fuera de su huésped, y todo el mundo estaba haciendo caso omiso de ellos. Había herramientas muy limitadas para estudiarlos. Luego, en la década de 1980, los nuevos métodos moleculares estuvieron disponibles para amplificar el ADN y luego secuenciar ella.
¿Cómo se utiliza estas herramientas para estudiar la simbiosis?
Una de las primeras cosas que hicimos fue crear un árbol evolutivo de los áfidos y sus bacterias residentes, Buchnera. Nos dimos cuenta de que habían coevolucionado durante más de 100 millones de años, desde que aparecieron por primera vez los áfidos. Los áfidos, básicamente, no existirían sin simbiontes. Se encontró que el patrón a ser bastante generalizada. Los principales grupos de insectos evolucionado porque tenían simbiontes.
¿Cómo simbiontes ayudan a sus anfitriones de insectos?
A menudo proporcionan la nutrición. Los áfidos viven de savia de la planta, lo que no es adecuado para los animales, ya que no tiene todos los aminoácidos esenciales. Buchnera hace aminoácidos esenciales para ellos. La mosca tsetsé, que se alimenta de la sangre, tiene un simbionte que hace que las vitaminas B. El uso de la genómica, hemos sido capaces de encontrar los genes exactos que se requieren para la fabricación de nutrientes tales como aminoácidos o vitaminas.
Bill McCullough para Quanta Revista
Un vaso de plástico sirve como una jaula de abeja para los experimentos de laboratorio. Aquí, las abejas están siendo alimentados a través de un tubo de sacarosa.
¿Cómo cambian los simbiontes en respuesta a sus anfitriones?
Cuando empezamos a secuenciar genomas completos de bacterias simbióticas, nos dimos cuenta de que tenían patrones inusuales de la evolución de genes. Los endosimbiontes a menudo pierden una gran cantidad de genes. De hecho, la extrema pequeñez de algunos de los genomas de los endosimbiontes fue una sorpresa cuando empezamos, tanto es así que no creímos en nuestros resultados iniciales. Para el caso de los áfidos Buchnera , el tamaño del genoma de la Buchnera simbionte había sido predicho para ser siete veces el tamaño de la E.coli genoma, cuando en realidad era sólo una séptima parte del tamaño!
Cuando un simbionte se integra con una variedad tan de cerca, el resultado es algo así como una criatura totalmente nueva , una fusión de la huésped y simbionte, que ahora tiene capacidades que no están presentes en cualquiera de los dos solos.
Usted ha descubierto que a veces relaciones simbióticas son más complejos que simplemente anfitrión y simbionte. ¿Puede darnos un ejemplo?
Los áfidos tienen bacterias simbióticas llamadas Hamiltonella defensa que los protegen contra las avispas. Pero las bacterias son solamente de protección si están infectados por un determinado virus. Así que el virus, en el simbionte, en el pulgón, es la protección de todos ellos. Es un sistema de varios niveles; los tres beneficio si el pulgón es resistente a la avispa.
Creo que me siento atraído a la complejidad de estas cosas que se producen durante la evolución. Se ven tan complicado y elaborado, pero se puede entender si se piensa en cómo la selección actuó en diferentes niveles.
El término simbiosis generalmente se refiere a una relación útil entre dos especies. Pero advierten que puede tener un lado negativo.
Las simbiosis no siempre son buenas. Los intereses evolutivos de las bacterias pueden estar de acuerdo con los de la serie, o en contra de ellos. Las bacterias simbióticas podrían evolucionar en beneficio del anfitrión para que el huésped vivirá más tiempo (y continuar proporcionando un hogar para las bacterias). O las bacterias pueden matarlo, por lo que el cadáver dispersará microbios. Por ejemplo, Photorhabdus luminescens es un simbionte del intestino de los gusanos nematodos. Los nematodos colonizan un insecto, y la P. luminescens sale de los nematodos, infecta al insecto y lo mata. Luego los nematodos ocupan las bacterias y viajan a un nuevo huésped.
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En los últimos años, se ha movido desde el estudio de los áfidos y endosimbiontes de las abejas y sus microbios. ¿Qué inspiró el cambio?
Es muy difícil llevar a cabo experimentos en endosimbiontes porque no se puede quitar el simbionte y ver qué pasa.
Qué la atrajo a las abejas?
Las abejas son insectos sociales, lo que da a los microbios la oportunidad de ser transferido de un animal a otro. De esta manera, el microbioma de abeja es mucho como el microbioma humano.
¿Cómo puede el microbioma abeja ayudarnos a entender la versión humana?
Los diferentes colonias de abejas tienen diferentes cepas con diferentes colecciones de genes, al igual que la gente tiene su propia colección única de microbios.
En estudios microbioma humano, los vínculos entre el microbioma y la salud son correlativas. Rara vez tenemos datos causales. En las abejas, no podemos hacer experimentos más directos. Podemos hacer algo para la colonia y ver si prospera o fracasa. Por ejemplo, aislamos pupas en el laboratorio e inoculamos las abejas adultas emergentes con bacterias específicas. Es un sistema más sencillo, pero aún complejo.
¿Qué espera aprender sobre salud de las abejas?
Abejas limpias, los que no tienen microbios, pueden ser peores para lidiar con los desafíos ambientales, tales como la escasez de alimentos, el estrés y patógenos. Hay alguna evidencia de que ciertas cepas bacterianas pueden proteger a las abejas contra un virus de ARN que es patógeno más común y mortal de la especie. El virus está muy extendido en las abejas, y mata algunas colonias, pero parece inocua en otros. ¿Por qué? Probablemente tiene que ver con el microbioma y lo resistente de la colonia es.
Bill McCullough para Quanta Revista
Moran se explica cómo el desorden del colapso de colonias la llevó a estudiar las bacterias que viven en los intestinos de las abejas.
¿Su trabajo identificar posibles causas del desorden del colapso de colonias?
Es sólo especulación en este momento. Pero se puede imaginar que una colonia de abejas natural tiene poca exposición a otras colonias. Un microbio sobrevivirá sólo si su colonia anfitrión sobrevive. Pero las abejas comerciales se elevan más juntos que en la naturaleza, por lo que hay más oportunidades para los microbios se propaguen entre las colonias. Si usted toma una gran cantidad de colonias y los pone a pocos pies de distancia, puede crear condiciones donde hay una mayor ventaja [desde la perspectiva del microbio] para invadir otras colonias en lugar de depender de un solo huésped. Eso podría seleccionar para las bacterias que son perjudiciales para la colonia - por ejemplo, los que hacen que las abejas para desarrollar diarrea y difundir el microbio. Estudios de modelado basado en agentes patógenos humanos sugieren que una gran cantidad de contacto social podrían crear microbios más dañinos.
En los últimos 30 años, la simbiosis se ha transformado de un área más impopular de la investigación de un tema de moda - el microbioma humano es objeto de miles de publicaciones. ¿Qué falta en los últimos estudios?
Hoy en día, vemos una gran cantidad de titulares que asumen una microbiota diversa es buena. El tono general, incluso entre los biólogos - a excepción de los biólogos evolucionistas - es que todo es beneficioso. Pero la diversidad puede ser bueno o malo.Una perspectiva evolutiva podría proporcionar un poco de equilibrio. Tenemos que entender los procesos evolutivos en los diferentes niveles, como entre un huésped y sus microbios, y entre los diferentes tipos de bacterias que viven en el interior del huésped.
An Explorer of Life’s Deepest Partnerships
The biologist Nancy Moran has spent a career investigating the surprising nature of symbiosis, a phenomenon in which two species can appear to merge into one.
Bill McCullough for Quanta Magazine
Nancy Moran inspects a few of the bees in her rooftop hive at the University of Texas, Austin.
Two years ago, Nancy Moran moved from Yale University to the University of Texas, Austin, along with 120,000 bees. Bees are famous for living in large social groups, but Moran was interested in more than just the hive: She’s delving into the diverse ecosystem of bacteria that evolved along with the bees, a group that contributes to the health of hives and their resilience to infection.
Bees and their microbiota are just one example of symbiosis — a close relationship between two species that typically helps both. Symbiosis can take a variety of forms. Cleaner fish scour dead skin from other fish and gain a meal in the process. The myriadmicrobes that live within our guts help us digest certain foods.
But much of Moran’s work has focused on a deeper kind of partnership, one involving microbes known as endosymbionts that are passed from their host to its offspring. With her collaborator Paul Baumann, a bacteriologist at the University of California, Davis, Moran uncovered the tightly interwoven nature of these host-microbe relationships. Many pairs have become completely dependent on each other, some even swapping genes. Her research centered largely on aphids, sap-feeding insects that infest plants. The aphids can’t survive without a microbe called Buchnera aphidicola, which lives within the insect and provides it with essential nutrients.
Bill McCullough for Quanta Magazine
Moran examines bees to see if they eat each other’s feces.
Moran is now doing similar work with bees, and her research could eventually help scientists understand colony collapse disorder, the mysterious plague devastating honeybee populations. Moran hopes an evolutionary biologist’s perspective will also provide important insight into the workings of the human microbiome — the collection of microbes that live on and inside us — which has become a hot topic in human health.
Quanta Magazine spoke with Moran in July at the Society for Molecular Biology and Evolution conference in Vienna, where she presented her latest research on bees. An edited and condensed version of the interview follows.
QUANTA MAGAZINE: What was the field of symbiosis like when you started in the 1980s?
NANCY MORAN: It was a fringe topic in biology at the time. Most symbionts can’t be studied outside their host, and everyone was ignoring them. There were very limited tools for studying them. Then in the 1980s, new molecular methods became available to amplify DNA and then sequence it.
How did you use those tools to study symbiosis?
One of the first things we did was create an evolutionary tree for aphids and their resident bacteria, Buchnera. We figured out they had coevolved for more than 100 million years, since aphids first appeared. Aphids basically wouldn’t exist without symbionts. We found that pattern to be quite widespread. Major groups of insects evolved because they had symbionts.
How do symbionts help their insect hosts?
They often provide nutrition. Aphids live on plant sap, which is unsuitable for animals because it doesn’t have all the essential amino acids. Buchnera makes essential amino acids for them. The tsetse fly, which feeds on blood, has a symbiont that makes B vitamins. Using genomics, we have been able to find the exact genes that are required for making nutrients such as amino acids or vitamins.
Bill McCullough for Quanta Magazine
A plastic cup serves as a bee cage for lab experiments. Here, the bees are being fed sucrose through a tube.
How do symbionts change in response to their hosts?
When we started to sequence whole genomes of symbiotic bacteria, we realized they had unusual patterns of gene evolution. Endosymbionts often lose lots of genes. In fact, the extreme tininess of some of the endosymbiont genomes was a surprise when we started, so much so that we didn’t believe our initial results. For the aphid-Buchnera case, the genome size of the Buchnera symbiont had been predicted to be seven times the size of the E. coli genome, when in fact it was only one-seventh the size!
When a symbiont becomes integrated with a host so closely, the result is something like a totally new creature, a fusion of the host and symbiont, that now has capabilities not present in either one alone.
You’ve discovered that sometimes symbiotic relationships are more complex than simply host and symbiont. Can you give us an example?
Aphids have symbiotic bacteria called Hamiltonella defensa that protect them against wasps. But the bacteria are only protective if they’re infected by a certain virus. So the virus, within the symbiont, within the aphid, is protecting all of them. It’s a multilevel system; all three benefit if the aphid is resistant to the wasp.
I think I am drawn to the complexity of these things that come about during evolution. They look so complicated and elaborate, but you can understand them if you think about how selection acted at different levels.
The term symbiosis generally refers to a helpful relationship between two species. But you caution that it can have a downside.
Symbionts aren’t always good. The evolutionary interests of bacteria can be in agreement with those of the host, or against them. Symbiotic bacteria might evolve to benefit the host so that the host will live longer (and continue providing a home for the bacteria). Or the bacteria might kill the host, so that the host corpse will disperse microbes. For example, Photorhabdus luminescens is a gut symbiont of nematode worms. The nematodes colonize an insect, and the P. luminescens exits the nematodes, infects the insect, and kills it. Then the nematodes take up the bacteria and travel to a new host.
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