La celulosa es el componente principal de las paredes celulares de las plantas, lo que la convierte en el polímero más común en la Tierra. Es responsable de las propiedades de materiales como la madera y el algodón y es el componente principal de la fibra dietética, por lo que es difícil exagerar su importancia para la humanidad.
Dada su ubicuidad y el hecho de que está compuesto por un conjunto de moléculas de azúcar unidas entre sí, su dureza hace que sea muy difícil utilizarlo como fuente de alimento. Los animales que logran extraer importantes calorías de la celulosa normalmente lo hacen a través de tractos digestivos especializados que proporcionan un hogar para bacterias simbióticas (pensemos en los estómagos adicionales de las vacas y otros rumiantes).
Sorprendentemente, los humanos también albergan bacterias que pueden descomponer la celulosa, algo que no se confirmó hasta 2003 (mucho después de que terminé mi educación). Ahora, un nuevo estudio indica que albergamos una mezcla de bacterias que se alimentan de celulosa, algunas a través de nuestra ascendencia primate y otras a través de nuestra domesticación de herbívoros como las vacas. Pero la vida urbana ha provocado que el número de estas bacterias se reduzca drásticamente.
Encontrar a los herbívoros
Si bien en 2003 se encontraron bacterias que se alimentan de celulosa y que hacen de los humanos su hogar, desde entonces solo se ha identificado una especie de este grupo. El trabajo aquí, realizado por una gran colaboración internacional, se centró en obtener una imagen más completa de lo que vive en nuestras entrañas. Para ello, obtuvieron muestras intestinales de humanos y rumiantes. Estos se utilizaron para obtener ADN de las bacterias que viven allí, que se utilizaron para la secuenciación del ADN.
El análisis informático del ADN ha mejorado lo suficiente como para poder tomar todas las secuencias obtenidas de una población aleatoria de especies y ensamblar los genomas de especies individuales a partir de la mezcla. Luego, esos genomas se compararon con los de bacterias conocidas que digieren celulosa para identificar aquellas con colecciones similares de genes. (Los digestores de celulosa tienden a construir grandes estructuras proteicas que permiten que las enzimas de digestión especializadas se agrupen, y los investigadores buscaron genes con características que permitieran este tipo de agrupación).
Al final identificaron 25 genomas de rumiantes y otros 22 de humanos. Un análisis evolutivo sugirió que había cuatro grupos distintos de especies que digieren celulosa en los humanos.
Para tener una mejor idea de estas bacterias, los investigadores obtuvieron más muestras de intestino humano, junto con las de otros primates, así como algunas muestras de heces antiguas que los humanos dejaron hace más de 1.000 años: casi 2.000 muestras en total. Una cosa que quedó clara es que algunos de estos linajes tienen una larga historia en nuestros antepasados. Algunos de ellos tienen ramas en muchos otros primates (los investigadores comprobaron macacos, babuinos, gorilas y chimpancés), pero no están presentes en los rumiantes.
La otra cosa que quedó clara es que su prevalencia está cambiando con los cambios en la dieta humana. En primates no humanos, la frecuencia de estas cepas bacterianas estaba en el rango del 30 al 40 por ciento. Esas frecuencias eran similares a las observadas en las muestras antiguas de heces humanas, pero más altas que las observadas en los humanos actuales. Aquí había una fuerte división. Los cazadores/recolectores actuales y los que viven en un entorno rural, quienes consumen dietas muy ricas en fibra, todavía tenían alrededor del 20 por ciento de prevalencia de estas especies que digieren la celulosa. Por el contrario, los de los países industrializados tenían una prevalencia inferior al 5 por ciento.
En general, cuanta más fibra había en la dieta de un cultivo, más diversas eran las bacterias que digerían la celulosa. Por lo tanto, su diversidad en los humanos ha ido disminuyendo a medida que una mayor parte de nuestra población se ha trasladado a la vida urbana.
Juntando los genes correctos
Si bien los humanos contienen cepas que obtuvimos de nuestros ancestros primates, había cepas adicionales presentes que no coincidían tan bien. Los investigadores encontraron que estas cepas se agrupan dentro de las que están presentes en los rumiantes. «Nuestro análisis evolutivo sugiere fuertemente que [these strains] probablemente se originó en el intestino de los rumiantes y luego se transfirió a los humanos, posiblemente durante la domesticación», concluyen los investigadores.
Los investigadores también examinaron otros genes metabólicos encontrados en los genomas de los digestores de celulosa. Estos indicaron que existen adaptaciones adicionales a la dieta del animal. Por ejemplo, las cepas encontradas en los intestinos de los primates a menudo tenían genes que permitían la digestión de la quitina, un polímero diferente que es un componente importante de los exoesqueletos de los insectos. Por el contrario, algunas cepas específicas de humanos tenían enzimas que pueden degradar eficazmente las paredes celulares de plantas como el arroz, el trigo y el maíz.
El análisis de estos otros genes metabólicos sugiere que inicialmente se obtuvieron de otras bacterias que se encuentran en los intestinos de los animales. Así, el proceso de transferencia horizontal de genes entre especies parece ser una característica clave de la adaptación de los digestores de celulosa a sus huéspedes.
Entonces, si bien los humanos carecemos de estructuras especializadas para digerir la celulosa, todavía hay algo de digestión de celulosa en nuestros intestinos, aunque la cantidad dependerá en gran medida de nuestra dieta. Para ser claros, las bacterias que realizan la digestión lo hacen para sus propios fines. Pero las enzimas que utilizan para la digestión deben exportarse fuera de las células, ya que es imposible importar los polímeros dentro de las células bacterianas. Entonces, al menos algunos de los productos de la digestión terminan siendo absorbidos por el sistema digestivo humano.
Además, muchas bacterias intestinales utilizan la energía que obtienen de nuestros alimentos para producir sustancias químicas que son útiles para los humanos, lo que puede ayudar a explicar algunos de los beneficios de las dietas ricas en fibra. Entonces, si bien estas bacterias pueden ser un componente menor de nuestra capacidad para procesar alimentos, aún podemos aprender que hacen contribuciones críticas a nuestra salud.
Ciencia, 2024. DOI: 10.1126/ciencia.adj9223 (Acerca de los DOI).