Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

En el mundo de la ciencia de los alimentos, parte del trabajo más importante ocurre en el reino invisible de las bacterias. Al elaborar quesos tradicionales como el Gouda o el Cheddar, los productores dependen de los cultivos iniciadores: mezclas de organismos microscópicos que convierten la leche en queso sólido y crean su sabor distintivo. Durante más de un siglo, estos cultivos se han mantenido vivos y se han pasado de lote en lote, una práctica conocida como el uso de un iniciador "indefinido" porque la mezcla exacta de bacterias en su interior no se conoce ni se controla por completo. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que estas mezclas son más complejas de lo que parecen, ocultando una vasta gama de diferentes cepas bacterianas que trabajan juntas para mantener el queso seguro y sabroso. Comprender esta diversidad oculta es crucial porque determina qué tan bien el queso resiste el ataque de virus que infectan a las bacterias, conocidos como fagos, que pueden arruinar todo un lote de producción.

Un equipo de investigadores se propuso mapear este mundo oculto dentro de un cultivo iniciador danés específico llamado Tistrup, que ha estado en uso durante más de cien años. Sabían que el simple hecho de cultivar bacterias en una placa de laboratorio para contarlas no era suficiente, ya que muchas cepas podrían ser omitidas o pasadas por alto. En su lugar, combinaron dos métodos poderosos: cultivar una gran colección de cepas bacterianas individuales en el laboratorio y leer el código genético de toda la mezcla directamente desde el cultivo sin cultivar nada primero. Al comparar lo que encontraron en el laboratorio con lo que encontraron en la mezcla pura, descubrieron que la comunidad era mucho más intrincada de lo que cualquiera de los dos métodos podría revelar por sí solo. El estudio muestra que, incluso en un grupo de bacterias que parece simple en la superficie, existe una capa profunda de variedad genética que permite a la comunidad sobrevivir y prosperar.

Los investigadores comenzaron analizando el cultivo Tistrup, el cual está dominado por solo unas pocas especies de bacterias, principalmente Lactococcus cremoris y Lactococcus lactis. Debido a que hay tan pocas especies, esperaban que las diferencias genéticas entre las bacterias individuales fueran pequeñas. Sin embargo, cuando secuenciaron el ADN de 111 cepas bacterianas distintas que cultivaron en el laboratorio y las compararon con los datos genéticos de la mezcla completa, encontraron una sorprendente cantidad de complejidad oculta. Los dos métodos no solo coincidieron en las mismas bacterias, sino que encontraron partes diferentes de la población. Las cepas cultivadas en el laboratorio representaban solo una fracción de la diversidad presente en el cultivo, mientras que la lectura genética directa de la mezcla reveló muchos linajes que los métodos de laboratorio pasaron por alto por completo.

Uno de los hallazgos más sorprendentes se refirió a las paredes celulares de estas bacterias. La superficie exterior de una bacteria está cubierta por un revestimiento azucarado llamado polisacárido de la pared celular, que actúa como una cerradura específica que los virus utilizan para entrar e infectar la célula. Los investigadores descubrieron que el tipo más común de este revestimiento de azúcar en el cultivo, que constituía casi el treinta por ciento de la población, estaba completamente ausente en las bacterias que cultivaron en el laboratorio. Esto significa que las bacterias más abundantes en el cultivo fueron aquellas que los científicos no lograron cultivar, dejando una parte importante de la comunidad invisible para los métodos tradicionales. Las bacterias cultivadas en el laboratorio portaban mayoritariamente versiones diferentes y menos comunes de este revestimiento de azúcar, lo que sugiere que las condiciones utilizadas para cultivarlas en el laboratorio favorecieron a un grupo específico y menos dominante.

Más allá de las paredes celulares, los investigadores examinaron otras características genéticas que ayudan a las bacterias a defenderse de los virus. Examinaron la presencia de virus que se esconden dentro del ADN bacteriano, conocidos como profagos, y los diversos sistemas de defensa que las bacterias utilizan para combatir los ataques. Encontraron que estas herramientas de defensa estaban combinadas y mezcladas en incontables variaciones entre las diferentes cepas. Incluso las bacterias que parecían casi idénticas en su código genético central portaban diferentes conjuntos de sistemas de defensa y virus ocultos. Esta variedad actúa como un escudo para la comunidad; si un virus ataca a un tipo de bacteria, otras con defensas diferentes pueden sobrevivir y mantener el proceso de elaboración del queso. El estudio demostró que esta diversidad defensiva era mucho mayor de lo que se podía observar al analizar solo las cepas cultivadas en el laboratorio.

El equipo también investigó los elementos genéticos móviles, que son pequeños bucles de ADN llamados plásmidos que las bacterias pueden intercambiar entre sí. Estos plásmidos a menudo portan genes que son esenciales para la elaboración del queso, como los necesarios para digerir el azúcar de la leche o descomponer las proteínas. Los investigadores descubrieron que estos plásmidos también eran altamente diversos y eran transportados por diferentes cepas en distintas combinaciones. Al utilizar una técnica especial que lee las marcas químicas en el ADN, pudieron vincular muchos de estos plásmidos con las bacterias específicas que los portaban, incluso cuando esas bacterias no fueron cultivadas en el laboratorio. Esto les permitió ver que el mismo plásmido podía encontrarse en diferentes especies, moviéndose entre ellas y propagando rasgos importantes a través de la comunidad.

El estudio concluye que la complejidad de este iniciador lácteo no se trata solo de tener muchas especies diferentes, sino de la vasta cantidad de diferentes combinaciones genéticas que existen dentro de tan solo unas pocas especies. Los investigadores descubrieron que ningún método individual, ya fuera cultivar bacterias en un laboratorio o leer el ADN de la mezcla completa, podía capturar la imagen completa. Los métodos de laboratorio omitieron las cepas más abundantes, mientras que la lectura directa del ADN no siempre podía determinar qué cepa específica portaba cada gen. Solo al combinar ambos enfoques pudieron comenzar a ver la verdadera extensión de la diversidad. Esta variedad oculta, que involucra paredes celulares, sistemas de defensa y ADN móvil, proporciona a la comunidad una capacidad robusta para resistir ataques virales y mantener la calidad del queso. Los hallazgos sugieren que la resiliencia de estos iniciadores tradicionales proviene de una diversidad combinatoria profunda que permanece mayormente oculta a menos que los científicos observen la comunidad a través de múltiples lentes.