Category Archives: Bacteris

Carn alternativa: menjar proteïna microbiana i altres

10 desembre 2022

Click here for the English version: Alternative meat: eating microbial protein and others

PROBLEMES DE LA PRODUCCIÓ DE PROTEÏNA ANIMAL

La majoria de proteïna que els humans consumim és la càrnica d’origen animal produïda per la ramaderia industrial, ja siguin aus o mamífers, i d’aquests sobretot els remugants com les vaques, bous i vedells, dels quals la producció a nivell mundial s’ha doblat en els darrers 50 anys. Els sistemes de granges industrials, tant les intensives com les extensives, tenen conseqüències ambientals molt negatives. Com veiem esquematitzat a la Figura 1, els principals perjudicis són:

La superfície de terreny ocupada per la ramaderia cada cop és més gran. Comptant el terreny de pastures i els conreus de vegetals per alimentar els animals —cereals i soja sobretot—, ja s’arriba quasi al 30% de la superfície de terra, molt més que la dedicada als conreus de consum humà, un 13%. En el cas de la soja per exemple, 3/4 de la seva producció es dedica a pinsos, i una part important prové de regions de Brasil que prèviament eren selva o sabana (Hooper 2022).

L’aigua dolça utilitzada per a la fabricació de qualsevol producte s’anomena petjada hídrica (Hidrofílic 2017). Aquesta en el cas de la ramaderia, que inclou el conreu vegetal de pinsos, és molt més gran que qualsevol altre conreu agrícola: es necessiten 15000 L d’aigua per a cada kg de carn bovina, 9000 L per kg carn d’ovella, 6000 L per kg carn de porc, mentre que només en calen 300 L per a kg de verdures o 900 L per kg de fruites o uns 4000 L per kg de llegums, encara menys que per als animals (Mekonnen & Hoekstra 2010). Com veiem (Figura 1), es calcula que als USA un 30% de la petjada hídrica total és deguda a la ramaderia industrial.

Un terç de les emissions globals de gasos amb efecte d’hivernacle (GEH) són causades pel sistema alimentari, i dins d’aquest la ramaderia n’és el principal contribuent, sobretot pel gas metà expel·lit pels remugants, resultat del metabolisme dels arqueus metanògens, pas final de la fermentació del rumen. Com a GEH, les emissions de metà del boví són les que causen més impacte ambiental amb molta diferència, essent d’uns 100 kg de metà per cada 100 g proteïna produïda (Poore & Nemecek 2018).

Finalment, cal tenir en compte les repercussions de degradació i erosió del terreny que suposa la ramaderia industrial, així com l’acidificació del sòl, les contaminacions per antibiòtics i l’eutrofització per l’ús excessiu dels fertilitzants (Humpenöder et al. 2022).

Figura 1. Impacte ambiental de la indústria ramadera. Imatge treta de Ecopeanut.com.

Es calcula que pel 2050 la població humana mundial serà de quasi 10000 milions (ara al 2022 som 7800 milions), per a les quals caldran unes 400 milions de tones de carn i 800 de productes lactis per any, quantitat que no es podrà aconseguir per la baixa eficiència de la proteïna vegetal dels pinsos en proteïna animal, que és de 6 kg de vegetal per a 1 kg animal (Ritala 2017).

Tot plegat, alguns activistes ambientals ben inquiets com George Monbiot creuen que les explotacions agrícoles i ramaderes comporten una destrucció, explotació i sense sentit econòmic que estan matant el planeta. Tanmateix, també creu que hi ha l’esperança d’un món més sostenible i saludable que passaria per un consum de microbis enlloc d’animals (Hooper 2022). 

Per tant, està clar que aquesta situació a mig termini no és sostenible ambientalment i cal trobar-hi alternatives per substituir gran part de la proteïna animal per altres fonts, com les microbianes i altres. 

———-

L’ALTERNATIVA VEGETAL

L’alternativa de proteïna vegetal és molt coneguda i forma part de la nostra dieta habitual (Figura 2). Portant-ho a l’extrem, els vegetarians basen la seva dieta només en vegetals i exclouen els aliments càrnics. A la Índia són 1/3 de la població, però a la resta del món els vegetarians són minoritaris, un 5% a Europa. Els motius dels vegetarians —i els vegans, que són més estrictes— són molt diversos, com ètics (sensibilitat animal), de salut, religiosos, polítics, de moda, estètics, econòmics, però també cada cop més hi ha els motius esmentats de conscienciació ambiental i de sostenibilitat.

Figura 2. Dieta vegetariana. Imatge treta de Salud Blogs Mapfre.

Les fonts de proteïna vegetal són valuoses nutritivament, ja que contenen fibra —quasi inexistent a les carns— i antioxidants, però el seu contingut en proteïna sempre és més baix que la de la carn, a la qual n’és un 45% de l’extracte sec. Els aliments vegetals amb més proteïna són la soja (un 35%) i els llegums com pèsols, cigrons o fesols (un 20-25%). En canvi el blat, arròs i altres cereals o les patates només contenen un 10% de proteïna. La llet conté un 25% i els ous un 40% de l’extracte sec.

L’inconvenient principal de la proteïna vegetal respecte l’animal, a més del menor contingut total de proteïna, és la menor qualitat nutricional en quant a aminoàcids essencials i menor digestibilitat, amb la qual cosa cal incrementar un 10-20% de proteïna si només es consumeixen aliments vegetals (Petrusán et al 2016). Un altre inconvenient és l’ambiental, en part semblant a l’animal, per les necessitats de grans extensions de terreny i de molta aigua (Ritala et al. 2017).

———-

MENJAR INSECTES ?

Una altra alternativa és el consum de proteïna d’insectes, o sigui l’entomofàgia. El contingut en proteïna de l’extracte sec dels insectes és molt alt, entre un 35% dels tèrmits i el 60% dels grills i llagostes, i la majoria dels insectes comestibles tenen continguts alts dels aminoàcids essencials, i de fibra, minerals i vitamines. Les “granges” d’insectes són molt adients amb la sostenibilitat i el medi ambient, ja que no requereixen terreny, els cal poca aigua, emeten molt pocs gasos d’EH, i són avantatjosos econòmicament. Per tant, tenen un molt bon potencial com a menjar de qualitat (Lange & Nakamura 2021). Tanmateix, l’acceptació del consumidor és un gran obstacle, sobretot als països occidentals. En canvi, són habituals a l’Àfrica subsahariana, al sud-est asiàtic, Austràlia i alguns països iberoamericans com Mèxic, on els “escamoles” són larves de la formiga Liometopum apiculatum molt populars des de temps prehispànics (Figura 3).

Figura 3. Plat d’escamoles mexicans. Imatge treta de Lideresmexicanos.com.

Quan els insectes es produeixen industrialment, cal tenir en compte i controlar les possibles fonts de riscos de seguretat alimentària, com són els al·lèrgens, els microorganismes patògens que poden ser transmesos via insectes, o les micotoxines de fongs que contaminin els insectes (Lange & Nakamura 2021). 

Actualment, la majoria d’inversions en la producció d’insectes comestibles són en el menjar per a animals. Se n’estan produint en forma de pols de proteïna per a animals domèstics, en aqüicultura i s’està començant a introduir com a complement dels pinsos del bestiar. A més els excrements dels insectes en la fase productiva poden ser utilitzats com a fertilitzant (Godwin 2021). 

———-

CARN CULTIVADA O SINTÈTICA

També anomenada carn “in vitro” o carn “neta” o “carn de laboratori”, consisteix en fer créixer teixit muscular animal en cultius de laboratori a partir de cèl·lules mare. Amb aquest mètode més ràpid i eficient que l’obtenció de carn tradicional no cal ni sacrificar animals ni hi han tots els inconvenients comentats de la ramaderia.

Per aconseguir carn cultivada cal un seguit de requeriments resumits en aquests passos que han de funcionar bé tant del punt de vista biològic com comercial: 

  1. Obtenir mostres del múscul esquelètic de l’animal adequat
  2. Separar-ne les cèl·lules mare dels altres components musculars i a vegades altres tipus cel·lulars
  3. Induir el creixement i proliferació dels mioblasts en les condicions físico-químiques i medi adequat, amb factors de creixement
  4. Induir que els mioblasts formin els miotubs multinucleats, en una estructura marc o bastida, com el col·lagen
  5. Aconseguir el creixement continuat de nous mioblasts i la diferenciació dels miotubs en fibres musculars
  6. Assegurar el creixement continuat al llarg de l’augment d’escala, introduint altres components com els adipòcits, amb els lípids que aporten palatabilitat
  7. Processar el producte resultant afegint-hi greixos, aromes i altres compostos, i modelar-ne l’aspecte físic, tot plegat per tal de mimetitzar els productes càrnics convencionals, la qual cosa és més fàcil amb productes processats, com la carn picada o el bacon (Figura 4) (Kadim et al. 2015).

La carn cultivada pot ser igual de bona i nutritiva que la convencional d’animals de granges, a més dels avantatges d’un dràstic menor efecte sobre el medi ambient i sobre l’animal en qüestió. A més, el rendiment és clarament major, ja que només amb una mostra de teixit es pot arribar a produir la mateixa quantitat de carn que amb 80 vaques (Bingham 2020).

Malgrat que els resultats preliminars fins ara són molt esperançadors, aquesta tecnologia encara no està prou desenvolupada per a la producció a gran escala, sobretot en quant als medis de cultiu, i l’acceptació i confiança per part del consumidor encara són molt minses (Kadim et al. 2015).

Figura 4. Carns “cultivades”, fetes amb cultius de cèl·lules animals, simulant un filet de vedella (esquerra) o una carn processada (dreta). Imatges tretes de Bingham (2020).

De manera semblant, també s’està desenvolupant la producció de filets de peix i de carn de marisc amb cultius cel·lulars, és el que se’n diu aqüicultura cel·lular. La substitució progressiva de peix capturat pel “peix cultivat” reduiria significativament la sobrepesca, s’eliminaria la pesca il·legal i la destrucció dels ecosistemes marins, i aquests aliments no tindrien possibles patògens o contaminants habituals com el metil-mercuri o les partícules de plàstic. 

Aquests productes de peix i marisc cultivats tenen també les qualitats organolèptiques que els productes marins salvatges o de piscifactoria però amb l’avantatge de ser més sostenibles, segurs i saludables. Algunes de les empreses que els estan desenvolupant ho fan amb tècniques semblants als cultius d’organoides o miniòrgans, que s’utilitzen des de fa uns 10 anys per a l’estudi i tractament de malalties i tumors. Els cultius es fan en estructures tridimensionals permetent que les cèl·lules formin una composició natural de greix i múscul equivalent a la de l’animal (VelSid 2022).

———-

PROTEÏNA MICROBIANA

També es coneix com a “proteïna unicel·lular” (Single Cell Protein, SCP) perquè en origen molts eren microbis unicel·lulars com la majoria de bacteris —inclosos els cianobacteris—, els llevats i algunes microalgues (les unicel·lulars), però també s’inclouen alguns fongs filamentosos i algunes algues pluricel·lulars. Lògicament els microbis que més s’han estudiat en aquest sentit són els que contenen més proteïna. Tenim una bona revisió dels tipus, el procés d’obtenció i aplicacions al treball de Junaid et al. (2020).

Taula 1. Productes de “proteïna unicel·lular” (SCP), tots amb mínim 45% proteïna dins extracte sec. Adaptat de Ritala et al. (2017).

MicroorganismeTipusÚs SubstratsCompanyies (país)Problemes
Methylophilus, MethylococcusBacteris metilòtrofs i metanòtrofs, proteobacterisAliment d’animalsMetanol, metàICI (UK) “Pruteen” anys 1970, Calista Inc. (UK) “FeedKind” a partir de biogàsAlt contingut en RNA i DNA (>10%), cal processat
Azonexus, ComamonadaceaeBacteris oxidadors d’H2, proteobacterisEn perspectiva, aliment humà o altres animalsH2, CO2, O2, N2Startups: Air Protein (USA), Solar Foods (FI), Deep Branch (UK) En R&D
Arthrospira maxima, A. platensisAbans “Spirulina”, bacteris: Cianobacteris (“microalgues”)Suplement dietètic, aliment d’asteques i pobles del TxadCO2, llumBlueBio Tech (D), Cyanotech (Hawaii USA), FEBICO (Taiwan), Parry Nutraceuticals (India)Possible contaminació amb toxines (microcistines) d’altres cianobacteris, i per metalls pesants
Aphanizomenon flos-aquae(AFA)Bacteris: CianobacterisSuplement dietètic, efectes positius a salutCO2, llumBlue Green Foods (USA), E3Live (USA), Klamath Valley (USA)Algunes soques tòxiques
ChlorellaMicroalgues verdes: ChlorophytaSuplement dietèticCO2, llumTerraVia (USA), Roquette Klötze (D), FEBICO (Taiwan), BlueBioTech (D)Producció costosa: aigua carbonatada. Paret cel·lular indigerible
Saccharomyces cerevisiaeFong unicel·lular (llevats), ascomicetsExtracte de llevat: suplement dietèticMelasses, cereals hidrolitzatsBega Cheese (AUS), Flint Hills Resources (USA)Ocasional: migranyes per tiramina, digestions irregulars, intolerància en malalts de budell inflamat *
Torula utilisCyberlindnera jadinii (sin. Candida utilis), llevats, ascomicetsSuplement saboritzant, alternativa a glutamatMetanol, melassesPhillips Petroleum Co (USA) fins 2002, Provesteen Process (USA) fins 1990Poca rendibilitat del procés
Fusarium venenatumFong filamentós, ascomicets“Micoproteïna”, paret rica en glucans (fibra), efectes positius a salutGlucosa de midó, sals, N inorgànicMarlow Foods Ltd “QuornTM” (UK), Atlastfood (USA), Nature’s Fynd (USA) i altres, en funcionamentAparició ocasional de mutants amb miceli molt ramificat, que fan que calgui aturar el cultiu continu cada 6 setmanes.
Paecilomyces variotiFong filamentós, ascomicetsAliment d’animalsSucres de residus lignocel·lulòsicsPapereres de Finlàndia “Pekilo”, anys 1970-1990No era rentable, ara volen revifar-ho: https://www.eniferbio.fi/product/

Veiem a la Taula 1 un resum dels principals productes que s’han desenvolupat, la majoria des dels anys 1970, quan amb les primeres crisis energètiques i ambientals es cercaren alternatives a la producció de proteïna càrnica, si bé la majoria d’aquests productes no han tingut gran desenvolupament industrial i/o comercial.

Com veiem, hi ha uns quants productes que són microalgues o cianobacteris, tots ells microorganismes fotosintètics, que són interessants pel seu baix cost de producció en necessitar només llum i una mica de CO2 i algunes sals. D’aquests cal destacar els coneguts com Spirulina o espirulina, que són cianobacteris i que ja han estat una font alimentària des del temps dels asteques i altres pobles d’Amèrica central, així com dels pobles del voltant del Txad. Avui dia s’utilitza com a suplement alimentari humà, en forma de pastilles o pólvores (Figura 5), i també s’empra com a suplement alimentari en l’aqüicultura i les indústries d’aviram. Un dels principals beneficis és l’alt contingut en vitamina B12. Tanmateix, cal controlar bé el producte ja que ocasionalment pot haver-hi contaminacions amb cianotoxines o la presència de pesticides i altres compostos tòxics, sobretot si es consumeix habitualment (Grosshagauer et al., 2020).

Figura 5. Suplements en pólvores i en pastilles a base de “Spirulina”, cianobacteris. Imatge treta de Iswari.com.

De bacteris, a banda dels cianobacteris, se n’han fet assajos amb molt diversos, com alguns BacillusCorynebacterium i Rhodopseudomonas, però a nivell industrial com a SCP els que més èxit han tingut són els metilòtrofs i/o metanòtrofs (Taula 1), que contenen molta proteïna (50-80% del pes sec), són rics en aminoàcids essencials com la metionina, i quantitats rellevants de lípids i vitamines. Ja als anys 1970 la britànica ICI desenvolupà el producte “Pruteen” amb Methylophilus methylotrophus a partir de metanol, i actualment Calysta Inc. (producte “FeedKind”) i altres empreses estan produint Methylococcus i altres metanòtrofs convertint el metà, excedent en granges, en proteïna bacteriana (Ritala et al. 2017). 

El problema principal dels bacteris —i dels fongs— és el seu alt contingut en àcids nucleics, sobretot RNA, degut al seu ràpid creixement i síntesi de proteïnes, que requereix ràtios elevades de transcripció i traducció. Això no passa amb els fotosintètics (microalgues i cianobacteris) que creixen més lentament. La ingestió de purines derivades del RNA fa augmentar la concentració d’àcid úric en plasma, que pot provocar gota i pedres al ronyó. Per tant, cal eliminar en part aquests àcids nucleics durant el procés d’elaboració de SCP. El mètode més usual és la combinació de tractament tèrmic suau amb l’ús de ribonucleases (Ritala et al. 2017).

Un cas prometedor de bacteris són els quimiolitòtrofs oxidadors d’hidrogen que també són fixadors de nitrogen N2, com Azonexus i els Comamonadaceae. Es coneixen com “mastegadors d’aire” (air-munching microbes) (De Sousa 2021) perquè poden créixer només amb N2, O2, CO2 i H2 perquè oxiden l’hidrogen amb O2 i fixen el N2 atmosfèric (Figura 6). Però com que el H2 és quasi inexistent a l’atmosfera, cal proporcionar-lo, obtenint-lo per hidròlisi de l’aigua amb energies verdes. L’avantatge principal de que són fixadors de N2 és l’estalvi d’amoni, la producció del qual requereix molta energia, a banda del rendiment en proteïna (Hu et al., 2020)

Figura 6. Esquema del metabolisme dels bacteris oxidadors d’hidrogen fixadors de nitrogen. Tret de Hu et al. (2020).

Els fongs i llevats dominen el mercat mundial de SCP per al consum humà, ja que els llevats sobretot tenen una llarga història d’acceptació, sobretot en forma d’extractes. Lògicament, la majoria de llevats comercialitzats com a SCP ho són de Saccharomyces cerevisiae, però també n’hi ha de Torula utilisCandida i Kluyveromyces. Els llevats i altres fongs també tenen l’inconvenient del contingut en àcids nucleics (un 10%), menor que als bacteris, però que també requereix del processat per reduir-los.

El fong micelial més utilitzat com a SCP és sens dubte Fusarium venenatum, sobretot comercialitzat amb el nom de QuornTM per Marlow Foods Ltd. des de 1985. De fet, és l’únic producte SCP utilitzat exclusivament per a consum humà. Com altres fongs, a banda de l’elevat contingut de proteïna (micoproteïna), és una bona font d’aminoàcids essencials, vitamines i sobretot glucans, que contribueixen a l’aportació de fibra a la dieta. És un ascomicet, considerat un microfong (Figura 7) per l’absència de cossos fructífers macroscòpics, com també ho són PenicilliumAspergillus i molts altres fongs filamentosos no bolets.

Figura 7. Micrografia electrònica (350 x) del miceli del fong Fusarium venenatum a la superfície del producte Quorn. Imatge treta de Ugalde & Castrillo (2002).

La producció de F. venenatum es fa en bioreactors continus amb aeració en un medi aquós amb glucosa obtinguda per hidròlisi del midó, una font de N, vitamines i minerals. El miceli resultant s’extreu (Figura 8) i es fa el tractament per eliminar el RNA, i s’asseca.

Figura 8. Traginant una capa de miceli de Fusarium. Foto de MyForest Foods Co, treta de Dietrich (2022).

Els productes amb micoproteïna com Quorn en concret estan pensats sobretot com a succedani de la carn, i es venen sobretot en forma de plats preparats, amb una varietat enorme de gustos i textures (Figura 9), lògicament afegint additius. Com a curiositat, vegeu el web publicitari de Quorn (www.quorn.co.uk), amb profusió de receptes i suggeriments. La majoria dels productes contenen albúmina d’ou a més del fong, que actua com a lligant. Les formulacions veganes substitueixen l’ou per patata. 

Figura 9. Exemples de productes fets amb F. venenatum: pseudosalsitxes Quorn i crema de formatge no lacti de Nature’s Fynd. Imatges respectives de quorn.co.uk i de Dietrich 2022.

L’interès en la SCP és cada cop més gran, i la recerca i desenvolupament relacionades està augmentant molt, sobretot a la Xina, on des del 2001 s’han registrat el 70% de patents mundials de SCP, sovint relacionades amb l’aprofitament de residus agrícoles com el metà (Ritala et al. 2017).

En qualsevol cas, cal contemplar la proteïna microbiana com un més dels elements a tenir en compte, a més dels altres comentats, en la necessària transformació necessària del sistema agroalimentari, combinant-lo amb la reducció dels residus alimentaris, l’incentiu de menjar més saludable, i la comercialització de productes amb menor impacte ambiental que els actuals (Carrington 2022).

———-

BIBLIOGRAFIA

Berkheiser K (2019) Four potential side effects of nutritional yeast. Nutrition, Healthline, 8 aug 2019.

Carrington D (2022) Swapping 20% of beef for microbial protein “could halve deforestation” The Guardian News website, Food, 4 May 2022.

Bingham L (2020) Cultured meat: better than the real thing ? Foodunfolded, 10 march 2020.

Calysta: https://calysta.com

De Sousa A (2021) How air-munching microbes could grow the fake meat of the future. Bloomberg Europe edition website, 11 October 2021.

Dietrich T (2022) Microbes and mushrooms -the future of Earth-friendly food. National Science Foundation website, 20 January 2022.

Godwin R (2021) If we want to save the planet, the future of food is insects. The Guardian News website, The Observer Food, 8 May 2021.

Grosshagauer S, Kraemer K, Somoza V (2020) The true value of SpirulinaJ Agric Food Chem 68:4109.

Hidrofílic (2017) Petjada hídrica. Aigües.net, 13/01/2017.

Hooper R (2022) Farming is the most destructive human activity ever (Interview with George Monbiot). New Scientist website, 19 May 2022. 

Hu X, Kerckhof FM, Ghesquière J, Bernaerts K, Boeckx P, Clauwaert P, Boon N (2020) Microbial Protein out of Thin Air: Fixation of Nitrogen Gas by an Autotrophic Hydrogen-Oxidizing Bacterial Enrichment. Environ Sci Tech 54:3609

Humpenöder, F., Bodirsky, B.L., Weindl, I. et al. (2022) Projected environmental benefits of replacing beef with microbial protein. Nature 605, 90–96. 

Junaid F, Khawaja LA, Sikander A (2020) Single cell protein as a potential meat substitute: a critical review. World J Pharmac Res 9:141.

Kadim IT, Mahgoub O, Baqir S, Faye B, Purchas R (2015) Cultured meat from muscle stem cells: a review of challenges and prospects. J Integr Agric 14, 222–233.

Lange KW, Nakamura Y (2021) Edible insects as future food: chances and challenges. J Future Foods, 1, 38-46

Mekonnen MM, Hoekstra AY (2010) The green blue and grey water footprint of farm animals and animal products. Value of Water Research Report Series n. 48, UNESCO-IHE

Petrusán JI, Rawel H, Huschek G (2016) Protein-rich vegetal sources and trends in human nutrition: A review. Curr Topics Pept Prot Res 17, 1-19

Poore J, Nemecek T (2018) Reducing food’s environmental impacts through producers and consumers. Science 360, 987–992

Quorn: https://www.quorn.co.uk

Ritala A, Häkkinen ST, Toivari M, Wiebe MG (2017) Single cell protein —State-of-the-Art, Industrial landscape and Patents 2001-2016. Front Microbiol 8, 2009

Ugalde UO, Castrillo JL (2002) Single cell proteins from fungi and yeasts. Appl Mycol Biotech 2:123

Velsid (2022) Producción de filetes de pescado a partir de la técnica para cultivar organoides. Gastronomía y Cía, República. 8 set 2022

Microbis domesticats per fer vi

24 agost 2022

A banda d’animals i plantes, els humans també hem anat “domesticant” alguns microbis al llarg de la història, en anar desenvolupant els aliments fermentats. Els grups principals d’aquests microorganismes són els bacteris làctics de molts productes lactis i vegetals fermentats, els llevats de les begudes alcohòliques, i les floridures d’alguns formatges i derivats de la soja. En aquest article, després d’una breu introducció, em limito sobretot als microbis del vi, o sigui, als llevats de la fermentació alcohòlica com Saccharomyces cerevisiae i als bacteris de la fermentació malolàctica com Oenococcus oeni.

DOMESTICACIÓ

Quan el flux genètic entre poblacions de la mateixa espècie es redueix, usualment per aïllament, l’evolució pot donar lloc a subpoblacions diferents, que eventualment poden esdevenir espècies diferents. Els humans poden interferir en aquest procés natural limitant el flux genètic deliberadament, seleccionant determinats trets desitjats, o sigui, la selecció artificial. D’aquesta manera, algunes espècies acaben essent dependents d’ambients antropogènics i adquireixen trets evolutius que interessen als humans. Això és la domesticació

Els trets buscats són molt diversos, des del rendiment (ex. ramaderia bovina o ovina o l’agricultura intensiva), passant per la tolerància al estrès (ex. collites resistents a sequera), fins arribar a l’estètica (ex. flors) o a la companyia (ex. gossos). Amb l’excepció dels gossos ja domesticats fa uns 30.000 anys, la majoria d’espècies domesticades ho foren durant la revolució neolítica fa uns 12.000 anys, amb el canvi de nomadisme de caçar i recol·lectar al sedentarisme lligat als conreus i al bestiar. En seleccionar els descendents d’animals i plantes que millor cobrien les necessitats específiques, aquests humans prehistòrics efectivament van començar a controlar els processos de selecció i el flux genètic (Steensels et al. 2019). 

DOMESTICACIÓ DE MICROORGANISMES

Comparat amb la de plantes i animals, la domesticació de microbis ha estat ignorada molt de temps. Recentment, el gran augment de dades genòmiques disponibles ha permès conèixer amb precisió les relacions genètiques entre diferents microorganismes, amb la qual cosa s’ha vist que els microbis industrials sovint representen branques genètiques diferenciades i aïllades als arbres filogenètics. Tanmateix, les circumstàncies ambientals que la domesticació microbiana requereix i les característiques genètiques concretes no s’han estudiat amb detall.

Curiosament, mentre que la domesticació d’animals i plantes són sobretot el resultat de l’esforç humà a posta, la domesticació dels microbis ha succeït sobretot sense intenció. Cal recordar que l’existència dels microorganismes començà a finals del s. 17 amb Antoni van Leeuwenhoek, el seu paper a les fermentacions no fou desvelat fins al s. 19 amb Louis Pasteur i altres, i sobretot els primers cultius purs, en concret de llevats cervesers, no foren obtinguts fins a finals del s. 19 per Emil C. Hansen a la Carlsberg.

Però és clar, les fermentacions són conegudes des del neolític o abans, encara que no se sabés res dels microbis com a tal. Un dels primers passos per controlar una mica el procés de fermentació fou probablement la retro-inoculació (backslopping en anglès), on s’utilitza material —i per tant microbis— d’una fermentació prèvia per començar-ne una de nova. Amb això, aquells antics artesans van promoure sense pretendre-ho l’adaptació dels microbis a l’ambient fermentatiu antropogènic, i per tant fou una selecció “inconscient”.

Al llarg del procés de domesticació dels microbis, hi ha una competència contínua entre diferents variants, ja siguin espècies, soques o mutants, a cada ronda de fermentació. O sigui, també hi ha una supervivència dels més adaptats, com a la selecció natural, encara que aquí és en un ambient controlat pels humans. En canvi, això ha canviat aquests darrers decennis des que s’utilitza la inoculació de cultius purs, seleccionats prèviament en base a les característiques volgudes. Aquesta selecció més “artificial” s’assembla més a la domesticació tradicional d’animals i plantes. La introducció de les noves eines biotecnològiques aquests darrers anys ha permès dissenyar encara millor el microorganisme amb les propietats desitjades per a la fermentació, incloent-ne algunes, com la producció d’aromes exòtics, que no necessàriament donen un avantatge adaptatiu del microbi.

Recomano la revisió de Steensels et al. (2019) per repassar les característiques del procés de domesticació als principals grups de microbis industrials, que són els bacteris làctics, els llevats i les floridures. Com he esmentat al principi, aquí em centraré sobretot en els relacionats amb el procés de vinificació, o sigui llevats i bacteris làctics, i per aquest ordre, de rellevància i temporalitat al vi.

DOMESTICACIÓ DELS LLEVATS

Els llevats són fongs unicel·lulars, i per tant microscòpics. Tenen uns 4 micròmetres de diàmetre, encara que alguns poden arribar fins a 40 µm, i ocasionalment alguns fan prolongacions o cadenes de cèl·lules conegudes com pseudohifes. Es reprodueixen sobretot asexualment per mitosi amb gemmació, una divisió asimètrica on el llevat fill més petit és la gemma. En condicions d’estrès poden esporular i després de la meiosi es produeixen espores haploides, que poden conjugar. La majoria són ascomicets però també n’hi ha de basidiomicets, i encara que hi ha unes 1500 espècies de llevats, el “llevat” per antonomàsia és Saccharomyces cerevisiae.

Encara que no exclusius del vi, els llevats S. cerevisiae són el model perfecte de domesticació microbiana perquè, malgrat ser eucariotes, tenen un genoma petit (12 Mb i 6500 gens, enfront la mitjana als ascomicets que és de 36 Mb i 11000 gens) i ben estudiat, temps de generació curts i es disposa de moltes eines per fer-hi recerca genètica i fenotípica.

S. cerevisiae només és abundant a les fermentacions de fruita recollida artificialment, com als raïms veremats un cop són al celler. En canvi, de forma natural s’ha trobat a molts hàbitats però en nombres escassos, i en particular a les fruites, al raïm mateix, i a l’escorça dels roure, que semblen ser els seus nínxols ecològics, però en qualsevol cas en nombres escassos (Steensels et al. 2019).

Per això s’ha proposat que S. cerevisiae no és que estigui adaptat a cap nínxol específic sinó que es pot dir que és una espècie nòmada, capaç de sobreviure com a generalista poc abundant en un ample ventall d’ambients. Pot sobreviure en molt diverses condicions i encara que el seu genoma és petit, és força complex i de fet per créixer als medis de laboratori només li calen el 20% dels seus 6500 gens (Goddard & Greig 2015).

Però malgrat no tenir clar quin és el seu hàbitat natural, està clar que el seu segon hàbitat són molts ambients artificials de fermentacions com les de pa, cervesa i viS. cerevisiae és conegut per les seves excel·lents característiques fermentatives, fins i tot en presència d’oxigen. Aquest caràcter sorgí com un procés evolutiu, adquirint la capacitat de créixer en medis amb molts sucres però amb pocs dels altres nutrients, i de convertir aquests diversos sucres a etanol, un compost antimicrobià per al qual aquest llevat és molt tolerant. El vi es considera la primera beguda fermentada alcohòlica, de fa uns 9000 anys (Fay et al. 2019). Amb tot, S. cerevisiae no és la única espècie per produir begudes alcohòliques, vins inclosos, ja que també ho són altres Saccharomyces relacionats: S. uvarumS. eubayanusS. kudriavzevii i altres derivats híbrids (González et al. 2006)

Com que l’etanol és un bon preservatiu natural enfront de microbis no desitjats, i addicionalment té la capacitat de ser una substància addictiva, la fermentació d’aliments per llevats va esdevenir una pràctica ben estesa, i va sorgir independentment en diverses civilitzacions arreu del món.

Per estudiar el probable origen de S. cerevisiae i la relació entre les seves diverses soques, en un estudi recent de seqüenciació i anàlisi dels SNPs (polimorfismes d’un sol nucleòtid) de més de 600 soques d’aquesta espècie (Duan et al. 2018) s’ha vist que les soques silvestres, de diversos continents però sobretot de la Xina, se separen quasi totes de les domesticades, excepte les aïllades en roures i altres Quercus, que són més properes als de les soques pròpies de vins i de cerveses (Figura 1). Com veiem, les soques domesticades es distribueixen en 2 branques evolutives. Una branca agrupa soques de fermentacions en estat sòlid, sobretot d’Àsia i en particular de la Xina. I l’altra inclou les pròpies de fermentacions líquides com els vins i les cerveses i altres, a més de les esmentades dels Quercus. Tot plegat, els autors (Duan et al. 2018) postulen un hipotètic origen de l’espècie, i sobretot de la seva domesticació, a la Xina o l’est asiàtic en general. 

Figura 1. Esquema de l’arbre filogenètic de soques de S. cerevisiae (adaptat de Steensels et al. 2019 i Duan et al. 2018).

Aquesta proximitat evolutiva de les soques de S. cerevisiae del vi amb les dels Quercus podria ser perquè aquests arbres fossin l’origen silvestre de les víniques o també perquè hi hagués hagut un retorn a la natura d’alguna soca vínica (Steensels et al. 2019).

Les soques de llevats domesticades dels diversos processos en estat líquid, o industrials “europees”, a més de ser diferents de les silvestres, s’agrupen filogenèticament força amb l’aplicació industrial, ja sigui cervesa o vi (Figura 2). Les soques domesticades de S. cerevisiae tenen reforçats uns trets que les fan idònies per a l’ambient fermentatiu, com l’adaptació a concentració alta de sucres, ambients amb poc O2 i tolerància a l’etanol, però també alguns trets específics del producte. Per exemple, els llevats cervesers poden metabolitzar maltotriosa, sucre específic del malt, mentre que els llevats vínics tenen una bona resistència als agents antimicrobians emprats, el sulfat de coure a la vinya i el sulfurós al celler. Com veiem (Figura 2), els S. cerevisiae del vi tenen una domesticació més limitada que els cervesers. Per exemple, els cervesers han perdut la capacitat de supervivència fora de l’entorn fermentatiu, mentre que els vínics poden esporular i sobreviuen a l’entorn extern. Això segurament és degut a que la fermentació del vi només passa un cop cada any, després de la verema, i la resta de l’any els llevats han de sobreviure al celler o a l’entorn en un ambient més natural (Steensels et al. 2019).

Figura 2. Filogènia i domesticació dels llevats industrials (Gallone et al 2016).

Cal afegir a aquestes diferències entre els llevats vínics i els cervesers, la molt més gran diversitat gènica dels llevats cervesers. De fet, molts d’aquests són S. cerevisiae, que inclouen els anomenats d’alta fermentació com els de les cerveses ale i stout i moltes més de tot el món, però justament les cerveses de baixa fermentació lager, que són el 94% del mercat mundial, són dutes a terme per S. pastorianus (sinònim S. carlsbergensis), per tant una altra espècie. Aquest S. pastorianus és un híbrid al·lotetraploïde de S. cerevisiae amb el llevat criotolerant S. eubayanus, i s’originà domèsticament cap al segle 15 a Baviera sotmetent les cerveses a baixes temperatures de coves dels Alps. Per això aquest llevat actua a 7-13ºC, i al fons del fermentador (Libkind et al. 2011). 

Totes les altres cerveses d’alta fermentació són elaborades amb molt diverses S. cerevisiae, constituint un grup polifilètic, amb moltes branques evolutives, algunes de les quals són filogenèticament properes a les del sake, del vi i del pa. La diversitat de nucleòtids dels S. cerevisiae cervesers és més del doble que la dels vínics. Aquesta major diversitat segurament és deguda a la suara comentada utilització estacional dels llevats vínics a diferència dels cervesers tot l’any, i també als més intensos i diferents règims de selecció associats a la seva elaboració (Gonçalves et al. 2016).

Amb tot això, tenim l’aparent paradoxa que les cerveses, com que la majoria de les consumides són lager, i moltes d’elles produïdes a gran escala industrial, semblen ser més estandarditzades comercialment i per tant més uniformes, i en canvi els vins semblen ser més diversos, en contra del que acabem de veure de la molt major diversitat de soques de llevats cerveseres que víniques. 

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE SACCHAROMYCES CEREVISIAE DEL VI

En centrar-nos en el vi, cal recordar que en començar la fermentació espontània del most de raïm les soques de S. cerevisiae no són predominants i hi ha un ampli espectre d’altres llevats, coneguts com no-Saccharomyces: Hanseniaspora, Pichia, Lachancea, Metschnikowia o Torulaspora i altres gèneres (Fleet et al. 1984). Per efecte de la producció d’etanol, S. cerevisiae acaba predominant i desplaçant en nombre a las no-Saccharomyces. Encara que cada cop més s’estan veient els beneficis d’aquests altres llevats a nivell d’aromes i s’estan utilitzant com a estàrters addicionals a S. cerevisiae (Jolly et al. 2014), no es pot parlar de la domesticació d’aquests no-Saccharomyces perquè no tenen fins ara un paper primordial en la vinificació, no es pot elaborar cap vi només amb aquests altres llevats. Per tant aquí em limitaré a S. cerevisiae

Molts dels mecanismes de canvis genètics que han portat a la domesticació de S. cerevisiae a la vinificació són presents també en altres espècies domesticades, tant microbianes com animals i plantes. El mecanisme més fàcil d’establir com a canvi genètic són els SNPs, degudes a mutacions puntuals d’un sol nucleòtid, però s’ha vist que aquests SNPs representen tan sols una petita fracció dels relacionats amb la domesticació de S. cerevisiae, i en canvi la majoria són rearranjaments estructurals del genoma, com els següents.

Les variacions en el nombre de còpies (CNV en anglès) són mutacions molt freqüents a molt diversos organismes, on fragments de DNA de > 1kb són repetits, tenen diverses còpies, amb nombre variable. El cas més conegut en els llevats vínics és el gen CUP1, que codifica per a una metal·lotioneïna, proteïna captadora de coure. Algunes soques poden tenir fins a 18 còpies d’aquest gen, amb la qual aquests S. cerevisiae vínics produeixen més quantitat de la proteïna i per tant són més tolerants al coure de la “barreja de Bordeus” usada com a fungicida a les vinyes (Steensels et al 2019).

Els rearranjaments cromosòmics, amb delecions, insercions o translocacions de grans fragments de cromosomes, sovint causades per transposons, són relativament freqüents en l’evolució dels llevats vínics i de Saccharomyces en general. De fet, aquests rearranjaments que poden afectar un nombre important de gens són una causa important de especiació. Un exemple n’és la tolerància al sulfit —l’antibacterià més usat en vinificació— degut a l’al·lel SSU1-R que és el producte sobreexpressat d’una translocació entre els cromosomes 8 i 16, només present als llevats vínics (Pérez-Ortín et al. 2002).

La hibridació interespecífica és un altre mecanisme de canvis que ja hem vist com a origen dels llevats domesticats a les cerveses lager. Les espècies de Saccharomyces poden hibridar molt fàcilment entre elles ja que aquests híbrids poden propagar-se per mitosi tan eficientment com els seus progenitors, encara que rarament poden fer la meiosi i per tant, quasi mai produeixen espores viables (Sipiczki 2008). Malgrat això, alguns dels llinatges híbrids poden acabar ser reconeguts com a espècies. Els casos més coneguts són l’esmentat S. pastorianus (sinònim S. carlsbergenesis) (S. cerevisiae x S. eubayanus) de les lager, i els S. bayanus (S. cerevisiae x S. eubayanus x S. uvarum) del vi (Figura 3). Tanmateix, S. bayanus és controvertit per les seves similituds amb S. cerevisiae i genera confusió de noms d’espècies amb alguna de les soques comercials més utilitzades (Sipiczki 2008).

Figura 3. Cladograma del gènere Saccharomyces amb les seves 8 espècies i 2 de les espècies híbrides, S. pastorianus i S. bayanusS. paradoxus inclou conjunts de soques originades a diferents continents. Modificat de Ono et al. (2020).

Els híbrids també han estat clau en l’aparició de força llevats vínics, sobretot en relació a la possibilitat de fermentar a baixes temperatures. Per exemple, algunes de les soques comercials d’estàrters que fermenten vi a 15ºC són híbrids “naturals” de S. cerevisiae amb S. kudriavzevii amb poliploïdia parcial, aïllats el 1979, que tenen la bona producció d’etanol de S. cerevisiae i la tolerància al fred de S. kudriavzevii (Erny et al. 2012).

De fet, recentment la hibridació interespecífica de diversos Saccharomyces vínics —per exemple S. cerevisiae x S. uvarum— s’està realitzant als laboratoris per tal d’aconseguir soques amb millors característiques relacionades amb caràcters poligènics. La hibridació com a mètode té l’avantatge de no ser considerada una tècnica GMO (organisme modificat genèticament, en anglès) i per tant les soques poden ser transferides ràpidament a la indústria (García-Ríos et al. 2019).

La transferència genètica horitzontal (TGH) és un altre mecanisme molt important evolutivament en molts organismes i en els llevats vínics també se’n coneixen alguns casos que han contribuït a la seva domesticació. Un cas és el gen Fsy1 codificant del transportador de fructosa, que permet a S. cerevisiae la utilització de la fructosa al final de fermentació, després d’haver consumit la glucosa. És molt probable que aquest gen li fou transferit del similar de S. pastorianus, per al que presenta molta homologia (Galeote et al. 2010). Un altre cas demostrat de TGH és el del gen Fot originari d’un altre llevat, Torulaspora microellipsoides, que li permet a S. cerevisiae una millor incorporació d’oligopèptids, que li donen avantatge competitiu quan les fonts de nitrogen són escasses (Marsit et al. 2015).

LLEVATS del VI DOMESTICATS o TORNEM ALS SILVESTRES ?

Malgrat els avantatges en la fermentació del vi que ha suposat l’ús d’aquests llevats evolucionats, això ha comportat una certa uniformització en les característiques del vi, sobretot a nivell d’aromes, perquè la majoria dels llevats utilitzats pertanyen a un sol llinatge genètic de S. cerevisiae domesticat. Com a contramoviment a això i també pel desig general de productes més “naturals” o ecològics, darrerament hi ha una tendència a utilitzar microorganismes silvestres i/o autòctons enlloc de les soques “domesticades”, o deixar més les fermentacions espontànies. Això passa amb el vi però també amb la cervesa i altres begudes i aliments fermentats (Steensels et al. 2014). En el vi, la tendència principal és sobretot l’ús de llevats no-Saccharomyces, presents de forma natural a l’inici de la fermentació, com he comentat abans, que donen perfils aromàtics diferents i molt interessants (Padilla et al. 2016). I encara més, els avenços en la comprensió de la domesticació combinats amb les noves tècniques disponibles per a l’evolució dirigida de microorganismes possibilitaran la creació de nous llinatges domesticats (Steensels et al. 2019).

———————–

DOMESTICACIÓ DELS BACTERIS LÀCTICS

El vi, juntament amb la cervesa i el pa, són els productes principals lligats a la domesticació comentada del llevat, S. cerevisiae bàsicament, amb algun altre molt relacionat com hem vist. Per tant, tenim unes poques espècies d’un sol gènere amb una gamma limitada de productes. En canvi, els bacteris làctics (BL) comprenen moltes espècies i ben diverses, que intervenen a molt diversos productes, tant derivats de la llet com de vegetals i d’altres aliments (Taula 1), molts més que els 3 bàsics dels llevats. Paradoxalment i tanmateix, al vi pràcticament només tenim una sola espècie de bacteri làctic domesticat, Oenococcus oeni, com tot seguit comentaré.

Els BL són bacteris gram-positius, de baix G+C al seu DNA, no esporulats, de metabolisme fermentatiu sense respiració, que produeixen àcid làctic com a producte principal de la fermentació de carbohidrats. Del punt de vista taxonòmic són l’ordre Lactobacillales, de la classe Bacilli, dins el fílum Firmicutes. Els seus hàbitats naturals són moltes plantes, especialment els fruits rics en sucres, i els animals, especialment els mamífers i entorn les seves llets, però també a l’interior dels seus cossos, com a la microbiota de boca i digestiu.

Els BL són el grup de microorganismes més important en la producció d’aliments i begudes fermentats, als que contribueixen en aroma, textura, seguretat i qualitat. La seva domesticació fou clau en la conservació d’aliments, i va resultar en molts cultius iniciadors per a la producció d’aliments industrials fermentats.

A nivell industrial, els productes làctics més coneguts són els lactis o derivats de la llet (Taula 1), on els BL predominants són Lactococcus i diversos gèneres actuals derivats de Lactobacillus (Zheng et al. 2020). En aquests dos grups, la domesticació va anar associada a pèrdua de gens de rutes biosintètiques —d’aminoàcids per exemple— i d’estrès oxidatiu, així com adquisició per TGH de gens per a un creixement òptim en l’ambient lacti, com els d’utilització de caseïna i de lactosa (Bonham et al. 2017).

Taula 1. Aliments (i begudes) fermentats amb intervenció de bacteris làctics (BL). Els BL o bacteris de l’àcid làctic (BAL, en anglès LAB) són de l’ordre Lactobacillales del fílum Firmicutes. Taula modificada i adaptada de Leroy & de Vuyst (2004). S’ha exclòs Bifidobacterium, que hi era a l’original, perquè no es dels Lactobacillales sinó del fílum Actinobacteria. S’han actualitzat els nous noms del gènere Lactobacillus (Zheng et al 2020).

Tipus de producteProducte fermentatBL predominants a, b
Productes lactisFormatges Lc. lactis, Le. mesenteroides, Lb. delbrueckii, Lb. helveticus, Lcb. casei, St. thermophilus
 Mantega i similarsLc. lactis, Le. mesenteroides
 IogurtLb. delbrueckii, St. thermophilus
 Altres llets fermentades cLcb. casei, Lb. acidophilus, Lcb. rhamnosus, Lb. johnsonii
 QuefirLnb. kefiri, Lb. kefiranofaciens, Lvb. brevis
Carns fermentadesEmbotits europeusLtb. sakei, Ltb. curvatus
 Embotits USAP. acidilactici, P. pentosaceus
Peix fermentatPlaa-som, bagoóng, garum i altresClb. alimentarius, C. piscicola
Vegetals fermentatsXucrutLe. mesenteroides, Lpb. plantarum, P. acidilactici
 OlivesLpb. pentosus, Lpb. plantarum, Le. mesenteroides
 Envinagrats: cogombrets, albergínies i altresLe. mesenteroides, P. cerevisiae, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
 KimchiLe. mesenteroides, Le. kimchii, Ltb. sakei, Lpb. plantarum, W. kimchii, P. pentosaceus
 Salsa de sojaT. halophilus
Cereals fermentatsMassa mareFlb. sanfranciscensis, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
Begudes alcohòliquesFermentació malolàctica del viO. oeni
 Vi d’arròsLtb. sakei
 Cerveses làmbic o similarsPediococcus spp.
Gèneres: C.=Carnobacterium, Lc.=Lactococcus, Lb.=Lactobacillus, Lcb.=Lacticaseibacillus, Lnb.=Lentilactobacillus, Lvb.=Levilactobacillus, Ltb.=Latilactobacillus, Clb.=Companilactobacillus, Lpb.=Lactiplantibacillus, Flb.=Fructilactobacillus, Le.=Leuconostoc, O.=Oenococcus, P.=Pediococcus, St.=Streptococcus, T.=Tetragenococcus, W.=Weissella.
b A banda de possibles altres microorganismes no BL
c Incloent les de probiòtics afegits

——————–

BACTERIS LÀCTICS DEL VI, OENOCOCCUS OENI I LA SEVA DOMESTICACIÓ

De la mateixa manera que amb els llevats, com que les fermentacions víniques no són estèrils, al most poden haver-hi molt diversos bacteris, incloent els BL. D’aquests, els més habituals durant la fermentació alcohòlica, si bé en nombres baixos —inferiors a 104 UFC/mL—, són Oenococcus oeniLactiplantibacillus plantarumLentilactobacillus hilgardiiLevilactobacillus brevisFructilactobacillus lindneriPediococcus parvulus i algun altre (Capozzi et al. 2021).

Però al final de la FA, quan el contingut d’etanol produït pels llevats ja és superior a 10% (v/v), aleshores la gran majoria de bacteris inclosos quasi tots els BL són inhibits, i pràcticament només hi romanen —i hi poden créixer lleugerament— les soques de O. oeni (Franquès et al. 2017), que duen a terme la fermentació malolàctica (FML) o conversió de L-màlic a L-làctic. Aquesta FML té els beneficis de reducció de l’acidesa, millora organolèptica i estabilitat microbiològica del vi (Bartowsky 2008). A banda de O. oeni, ocasionalment en alguns vins la FML pot ser duta a terme per altres BL, sobretot per Lpb. plantarum (Krieger-Weber et al. 2020).

Per tant, Oenococcus oeni és el bacteri del vi per excel·lència, degut a la seva tolerància a l’etanol i la capacitat de sobreviure en un medi àcid i amb polifenols i amb ben pocs nutrients com és el vi. La seva excepcionalitat està clar que va lligada a la seva domesticació —involuntària per als humans— i adaptació a aquest entorn artificial del vi durant aquests darrers milers d’anys.

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE OENOCOCCUS OENI AL VI

Els bacteris gram-positius amb fermentació heterolàctica de sucres i forma de coc que realitzen la FML del vi foren classificats com Leuconostoc oenos per Garvie (1967) per la semblança amb altres Leuconostoc. Tanmateix, els del vi es distingeixen dels altres Le. pel creixement en medi àcid, la tolerància a l’etanol, i la pobre fermentació de carbohidrats, a més de les estructures diferenciades d’enzims clau com la D-lactat deshidrogenasa o la glucosa-6-fosfat deshidrogenasa. L’estudi filogenètic del gen 16S rRNA per Yang & Woese (1989) va revelar una línia ben diferenciada d’aquests bacteris del vi respecte a altres Leuconostoc i d’altres BL (Figura 4). Aquests autors ja observaren que la seqüència del 16S rRNA de “Le. oenos“, a més de ser molt distant de tots els altres Leuconostoc, tenia inusualment alterada la composició en posicions altament conservades. Per tot això Dicks et al. (1995) van proposar el nou nom de gènere i espècie Oenococcus oeni

Figura 4. Arbre filogenètic de O. oeni amb altres BL en base a les seqüències del gen 16S rRNA. Weissella, Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Streptococcus, Lactococcus, Vagococcus. Adaptat de Dicks et al. (1995).

Aquesta branca filogenètica ben llarga i diferenciada de O. oeni és indicativa de la ràpida evolució que aquest bacteri ha experimentat en la domesticació i adaptació al vi. Les característiques genòmiques principals d’aquesta espècie respecte a altres BL són d’una reducció gènica a tots els nivells (Makarova et al. 2006), la qual cosa es correspon amb la molt menor capacitat biosintètica (aminoàcids, vitamines, etc.):

  • El genoma de O. oeni és de 1.78 Mbp, el més petit dels BL, que van de 1.8 de diversos Streptococcus a 3.3 de Lpb. plantarum.
  • El nombre d’operons rRNA de O. oeni és 2, el menor de tots els BL, ja que alguns com Lb. delbrueckiii en tenen 9.
  • El nombre de tRNAs de O. oeni és 43, el menor de tots els BL, enfront de 55-98 dels altres, relacionat amb el menor creixement i la menor competitivitat ecològica.

A banda de la reducció gènica, a Oenococcus s’observen taxes més elevades de mutacions que a d’altres BL, és un gènere hipermutable (Taula 2). La causa és que hi són absents els gens mutS i mutL, que són gens de reparació d’errors d’aparellament (MMR, mismatch repair), mentre que aquests gens són presents a tots els altres BL. El tipus de mutacions més freqüent són les transicions (GC –> AT i AT –> GC). Això explica l’alt nivell de polimorfisme al·lèlic, que probablement va conduir a la seva adaptació als ambients àcids i amb etanol (Marcobal et al. 2008). L’alta mutabilitat devia generar algunes mutacions beneficioses per a ambients molt restrictius com és el vi, a diferència d’altres BL, com per ex. Leuconostoc o Pediococcus, que es troben en molt diversos hàbitats. A més, el gènere Oenococcus és un exemple de com la manca dels gens MMR pot portar a la especiació.

Taula 2. Hipermutabilitat de O. oeni respecte a altres BL (adaptat de Marcobal et al. 2008)

EspècieTaxes de mutació espontània amb rifampicinaTaxes de mutació espontània amb eritromicina% Transicions (GC-AT i AT-GC) / total mutacions
Oenococcus oeni1.6 x 10-61.6 x 10-683
Leuconostoc mesenteroides1.5 x 10-84.2 x 10-928
Pediococcus pentosaceus5.5 x 10-84.7 x 10-933

Aquesta hipermutabilitat ha originat la gran diversitat de soques de O. oeni que trobem en totes les regions vinícoles mundials, i quan s’estudien els seus genomes per diversos mètodes moleculars com els SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid), s’observen (Figura 5) agrupacions de soques relacionades amb el tipus de producte, com les de xampany o de la sidra —on també és present aquest bacteri—, resultat de la domesticació-adaptació als diversos ambients on realitza la FML. També es troba O. oeni com a BL predominant a la kombutxa, la beguda de té fermentat per una comunitat de llevats, acètics i soques específiques de O. oeni i altres BL (Lorentzen & Lucas 2019).

Figura 5. Reconstrucció filogenòmica de soques de O. oeni en base als SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid). Les soques procedents del mateix producte (sidra, xampanya) queden agrupades. Adaptat de Campbell-Sils et al. (2015).

OENOCOCCUS OENI, EL BACTERI DOMESTICAT QUASI NOMÉS PRESENT AL VI

Aquesta és potser l’evidència més clara de què O. oeni és un bacteri producte de la domesticació. De manera semblant al cas dels llevats i en aquest cas es pot dir que encara amb més certesa, és molt difícil trobar O. oeni fora del vi en ambients naturals. Les poblacions de BL al most de raïm són com a molt 104/mL, i O. oeni només és una petita part d’aquests. Hi ha molts pocs estudis on se’ls hagi pogut aïllar dels raïms o del most. En destaca el treball recent de Franquès et al. (2017) on s’aconseguiren aïllar-ne diverses soques al Priorat. Algunes d’aquestes foren també aïllades als mateixos vins, i es confirmà la presència del DNA d’O. oeni als mateixos raïms. 

Malgrat la minsa presència d’aquest bacteri als raïms i al most, un cop la fermentació alcohòlica està acabant i el vi conté una quantitat significativa d’etanol produït pels llevats, els pocs inicials O. oeni poden haver assolit unes poblacions suficients per realitzar la FML. A banda del most, també és molt probable que els bacteris ja hi siguin al celler, a les superfícies o interior dels equipaments, ja que s’han detectat soques comercials de O. oeni a cellers on se n’havia utilitzat anys abans (Lorentzen & Lucas 2019).

CONCLOENT, LA DOMESTICACIÓ INCONSCIENT DELS MICROBIS DEL VI HA GENERAT DOS MOLT EXCEPCIONALS

El llevat Saccharomyces cerevisiae és l’espècie principal implicada a la fermentació alcohòlica del vi, i el bacteri làctic Oenococcus oeni ho és per a la fermentació malolàctica. En canvi, abans de les fermentacions respectives quasi no hi són. Si no s’inoculen estàrters, els nombres de S. cerevisiae són molt baixos al most, i O. oeni pràcticament no apareix al vi fins al final de la fermentació alcohòlica. Per tant, es pot dir que si els humans no haguessin començat a fer vi —i cervesa en el cas dels llevats— fa alguns milers d’anys, aquestes dues espècies segurament no existirien. Són clarament microbis domesticats en el sentit que han aparegut evolutivament en un temps relativament breu com a derivats de microbis previs que no tenien les característiques específiques d’aquests dos.

Com hem vist, l’excepcionalitat de Saccharomyces (“el fong del sucre”), i en particular S. cerevisiae, és sobretot la capacitat de fermentar medis amb molts sucres, convertint-los a etanol en quantitats importants, per al qual aquest llevat és molt tolerant. Aquesta producció d’etanol és bioquímicament excepcional i única entre els fongs i els altres organismes. Vegeu al respecte el treball de Dashko et al. (2014) sobre l’evolució de la fermentació alcohòlica als llevats.

L’excepcionalitat d’O. oeni (“el coc del vi del vi”) també és ben evident. És una espècie “nascuda i modelada” al vi (Bech-Terkilsen et al. 2020), capaç de sobreviure en un medi ben hostil, amb etanol, pH baix i molt pocs nutrients. Hi subsisteix gràcies al L-màlic i algunes restes de les cèl·lules de llevats, com és el cas de les manoproteïnes (Balmaseda et al. 2021), i és resistent a l’estrès d’aquestes condicions extremes gràcies a algunes proteïnes protectores del xoc de l’etanol, als sistemes antioxidants com el glutatió (Margalef-Català et al. 2016), i també en part degut a l’acumulació de manganès —també antioxidant, i molt poc estudiat—, el qual a més és cofactor de l’enzim malolàctic (Makarova et al. 2006). Per tot això, O. oeni pot ser una espècie model d’estrès per als altres BL (Liu 2002).

BIBLIOGRAFIA

Balmaseda A, Aniballi L, Rozès N, Bordons A, Reguant C (2021) Use of yeast mannoproteins by Oenococcus oeni during malolactic fermentation under different oenological conditions. Foods 10, 1540

Bartowsky EJ (2008) Oenococcus oeni and malolactic fermentation —moving into the molecular arena. Aust J Grape Wine Res 11: 174-187

Bech-Terkilsen S, Westman J, Swiegers J, Siegumfeldt H (2020) Oenococcus oeni, a species born and moulded in wine: a critical review of the stress impacts of wine and the physiological responses. Aust J Grape Wine Res 26, 188-206

Bonham KS, Wolfe BE, Dutton, R.J. (2017) Extensive horizontal gene transfer in cheese-associated bacteria. Elife 6, e22144

Campbell-Sills H, El Khoury M, Favier M, Romano A, Biasioli F et al. (2015) Phylogenomic Analysis of Oenococcus oeni Reveals Specific Domestication of Strains to Cider and Wines. Genome Biol Evol 7, 1506–1518

Capozzi V, Tufariello M, De Simone N, Fragasso M, Grieco F (2021) Biodiversity of Oenological Lactic Acid Bacteria: Species- and Strain-Dependent Plus/Minus Effects on Wine Quality and Safety. Fermentation 7, 24

Dashko S, Zhou N, Compagno C, Piškur J (2014) Why, when, and how did yeast evolve alcoholic fermentation?. FEMS Yeast Res, 14, 826–832

Dicks LMT, Dellaglio F, Collins MD (1995) Proposal to reclassify Leuconostoc oenos as Oenococcus oeni [corrig.] gen. nov., comb. nov. Int. J. Syst. Bacteriol. 45, 395–397

Duan SF, Han PJ, Wang QM, Liu WQ, Shi JY et al (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat. Commun. 9, 2690

Erny C, Raoult P, Alais A, Butterlin G, Delobel P et al. (2012) Ecological Success of a Group of Saccharomyces cerevisiae/Saccharomyces kudriavzevii Hybrids in the Northern European Wine-Making Environment. Appl Environ Microbiol 78, 9

Fay JC, Liu P, Ong GT, Dunham MJ, Cromie GA et al. (2019) A polyploid admixed origin of beer yeasts derived from European and Asian wine populations. PLoS Biol 17(3): e3000147

Fleet GH, Lafon-Lafourcade S, Ribereau-Gayon P (1984). Evolution of yeasts and lactic acid bacteria during fermentation and storage of Bordeaux wines. Appl Environ Microbiol 48, 1034–1038

Franquès J, Araque I, Palahí E, Portillo MC, Reguant C, Bordons A (2017) Presence of Oenococcus oeni and other lactic acid bacteria in grapes and wines from Priorat (Catalonia, Spain). LWT Food Sci Technol 81, 326-334

Galeote V, Novo M, Salema-Oom M, Brion C, Valerio E et al. (2010) FSY1, a horizontally transferred gene in the Saccharomyces cerevisiae EC1118 wine yeast strain, encodes a high-affinity fructose/H+ symporter. Microbiology 156, 3754–3761

Gallone B, Steensels J, Prahl T, Soriaga L, Saels V et al (2016) Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts. Cell 166, 1397–1410.e1316

García-Ríos E, Guillén A, de la Cerda R, Pérez-Través L, Querol A, Guillamón JM (2019) Improving the Cryotolerance of Wine Yeast by Interspecific Hybridization in the Genus Saccharomyces. Front Microbiol 9, 3232

Garvie EI (1967) Leuconostoc oenos sp. nov. J Gen Microbiol 48, 431–438

Goddard MR, Greig D (2015) Saccharomyces cerevisiae: a nomadic yeast with no niche ? FEMS Yeast Res. 15, 1–6

Gonçalves M, Pontes A, Almeida P, Barbosa R, Serra M et al (2016) Distinct Domestication Trajectories in Top-Fermenting Beer Yeasts and Wine Yeasts, Current Biology 26, 2750-2761

González SS, Barrio E, Gafner J, Querol A (2006) Natural hybrids from Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus and S. kudriavzevii in wine fermentations. FEMS Yeast Res 6, 1221–1234

Krieger-Weber S, Heras JM, Suarez C (2020) Lactobacillus plantarum, a New Biological Tool to Control Malolactic Fermentation: A Review and an Outlook. Beverages 6, 23

Leroy F, De Vuyst L. (2004). Lactic acid bacteria as functional starter cultures for the food fermentation industry. Trends Food Sci Technol 15, 67–78

Libkind D, Hittinger CT, Valério E, Gonçalves C, Dover J et al (2011). Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proc Nat Acad Sci, 108(35), 14539-14544

Liu SQ (2002) A review: Malolactic fermentation in wine — Beyond deacidification. J Appl Microbiol 92, 589–601

Lorentzen MPG, Lucas PM (2019) Distribution of Oenococcus oeni Populations in Natural Habitats. Appl Microbiol Biotechnol 103, 2937–2945

Jolly NP, Varela C, Pretorius IS (2014) Not your ordinary yeast: non-Saccharomyce yeasts in wine production uncovered. FEMS Yeast Res, 14, 215–237

Makarova K, Slesarev A, Wolf Y, Sorokin A, Mirkin B et al. (2006) Comparative genomics of the lactic acid bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. 103:15611–15616

Marcobal AM, Sela DA, Wolf YI, Makarova KS, Mills DA (2008) Role of hypermutability in the evolution of the genus Oenococcus. J Bacteriol 190, 564-570

Margalef-Català M, Araque I, Weidmann S, Guzzo J et al. (2016) Protective roles of glutathione addition against wine-related stress in Oenococcus oeni. Food Res Internat 90, 8-15

Marsit S, Mena A, Bigey F, Sauvage F, Couloux A. et al. (2015) Evolutionary advantage conferred by an eukaryote-to-eukaryote gene transfer event in wine yeasts. Mol Biol Evol 32, 1695–1707

Ono J, Greig D, Boynton PJ (2020) Defining and Disrupting Species Boundaries in Saccharomyces. Ann Rev Microbiol 74,477-495

Padilla B, Gil JV, Manzanares P (2016) Past and future of non-Saccharomyces yeasts: from spoilage microorganisms to biotechnological tools for improving wine aroma complexity. Front Microbiol 7, 411

Pérez-Ortı́n JE, Querol A, Puig S, Barrio E (2002) Molecular Characterization of a Chromosomal Rearrangement Involved in the Adaptive Evolution of Yeast Strains. Genome Res 12, 1533-1539

Steensels J, Gallone B, Voordeckers K, Verstrepen KJ (2019) Domestication of industrial microbes. Curr Biol 29 R381 (Review) 

Sipiczki M (2008) Interspecies hybridization and recombination in Saccharomyces wine yeasts. FEMS Yeast Res 8, 996-1007

Steensels J, Snoek T, Meersman E, Picca Nicolino M et al (2014) Improving industrial yeast strains: exploiting natural and artificial diversityFEMS Microbiol Rev 38, 947–995

Yang D, Woese CR (1989) Phylogenetic structure of the ‘‘Leuconostocs’’: an interesting case of a rapidly evolving organism. Syst Appl Microbiol 12, 145–149

Zheng J, Wittouck S, Salvetti E et al (2020) A taxonomic note of the genus Lactobacillus: Description of 23 novel genera, emended description of the genus Lactobacillus Beijerinck 1901, and union of Lactobacillaceae and Leuconostococaceae. Int J Syst Evol Microbiol 004107

Geosmina, Streptomyces i els camells

5 abril 2022

Click here for the English version: Geosmin, Streptomyces and camels

Us preguntareu de què va això. Encara que “Geosmina” sembla un nom maco per posar-li a una nena, no crec que n’hi hagi gaires al món amb aquest nom (Piqueras 2016). Doncs bé, com ara comentaré, la geosmina és un dels principals compostos que fan olor de pluja o terra mullada, que és produït per Streptomyces i altres bacteris, i que sembla que els camells al desert podrien detectar des de llargues distàncies per trobar aigua.

OLOR DE PLUJA: el PETRICOR i la GEOSMINA

De l’olor d’humitat o aroma característica que provoca la pluja en caure als sòls eixuts se’n diu petricor, que en grec és més o menys “líquid de les pedres”. El petricor és una olor com dolça, fresca i agradable, té una complexa composició i en prevalen la geosmina —d’origen microbià— i un conjunt d’olis aromàtics alliberats per moltes plantes. Aquests olis, que retarden la germinació de les llavors, són traspuats per les plantes en períodes de sequera per tal de protegir a les llavors, evitant que germinin (Bear & Thomas 1965). Els olis queden adsorbits al terra, sobretot argilós, i quan comença a ploure, les gotes de pluja colpegen la superfície i alliberen aerosols a l’aire transportant aquests compostos aromàtics, que formen part del perceptible olor de petricor. Un cop plou, l’aigua renta aquests olis del sòl, que deixen d’inhibir la germinació, i tot seguit hi ha una ràpida resposta de llavors germinant. 

A banda d’aquests olis aromàtics vegetals, la geosmina és l’altre constituent principal de l’olor de petricor que percebem quan comença a ploure. Com veurem, és produïda per microbis —sobretot actinobacteris com Streptomyces. Els aerosols provocats per les gotes de pluja en caure contenen milions d’aquests bacteris productors de geosmina, que són transportats per l’aire, disseminant durant una estona l’aroma de pluja recent (Portillo 2020).

Cal esmentar també l’ozó com a relacionat en part amb l’olor de pluja. A vegades aquest O3 de sensació punxent pot ser detectat, sobretot prèviament a la pluja, degut a l’activitat elèctrica de les tempestes (Sen 2016).

La GEOSMINA

El nom ve del grec (geos – osmos): olor de terra. És el dimetil-octahidro-naftalenol (C12H22O), un alcohol bicíclic no aromàtic sense nitrogen (Figura 1). La forma natural és l’isòmer (–). En solució àcida és transformat en argosmina, que té la mateixa estructura però sense el grup -OH, i que no fa olor.

Figura 1. La Geosmina, compost amb aroma de la terra recent mullada.

Els humans, com molts altres animals, podem detectar aquesta molècula a l’aire en molt baixa concentració. El nostre llindar olfactiu de la (–)geosmina és al voltant d’alguns nanograms per litre d’aire, o sigui de parts per trilió (10-12) (Cotton 2009). Aquesta alta sensibilitat olfactiva de molts animals se suposa que està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua de pluja per beure, i el fet que la majoria dels humans trobem agradable aquesta olor pot estar relacionat amb què per als nostres avantpassats això anava lligat a la supervivència (Palermo 2013).

Malgrat això, la geosmina també es relaciona amb mala qualitat d’aigua i d’aliments, ja que és un subproducte del metabolisme microbià, com tot seguit veurem, i per tant va lligat al creixement dels microorganismes. Per exemple, pot donar un mal gust, com terròs, al vi, a l’aigua de consum i al peix i marisc (Coca-Ruiz et al 2022). Un altre compost que també contribueix de forma similar a aquests problemes és el 2-metilisoborneol, un altre terpè produït també per Streptomyces i cianobacteris (Juttner & Watson 2007).

ORGANISMES PRODUCTORS DE GEOSMINA

La geosmina és produïda per molt diversos grups de bacteris, sobretot dels fílums ActinobacteriaCyanobacteria i els mixobacteris (del fílum Delta-proteobacteria). Us recordo que podeu veure la relació dels principals fílums bacterians al meu post del 7 abril 2020. La geosmina també pot ser produïda per uns quants eucariotes, incloent fongs, hepàtiques, insectes i alguns plantes (Coca-Ruiz et al 2022).

De tots ells, els principals productors de geosmina són els Streptomyces, dins el fílum Actinobacteria. Aquests, abans també anomenats actinomicets, són bacteris grampositius heteròtrofs, de DNA amb alt G+C, i de formes irregulars o filamentoses. Els Streptomyces —gènere que inclou més de 500 espècies— són aerobis, formen un complex miceli filamentós d’hifes ben desenvolupades, i es dispersen amb conidiòspores, espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs però procariotes (Figura 2). Són molt abundants al sòl i la vegetació, i tenen un complex metabolisme secundari, per la qual cosa són molt importants industrialment i en biotecnologia. Són productors de 2/3 dels antibiòtics naturals, tant antibacterians com antifúngics, i també produeixen antiparasitaris, anticancerígens i són emprats com vectors d’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

Figura 2. Esquema de secció d’una colònia de Streptomyces creixent en agar, amb les morfologies característiques dels micelis vegetatiu i aeri, i les cadenes de conidiòspores (imatge treta de Li et al. 2016).

RUTA de BIOSÍNTESI de la GEOSMINA als STREPTOMYCES

Encara que la ruta biosintètica de la geosmina s’ha estudiat a diferents bacteris que la produeixen, incloent cianobacteris i deltaproteobacteris, lògicament els Streptomyces han estat els més estudiats. Fou aïllada per primer cop per Gerber & Lechevalier (1965) en una fermentació de S. griseus i recentment s’ha estudiat sobretot a S. coelicolor (Figura 3), perquè és una espècie model o prototip dels Actinobacteria, la seva genètica es coneix molt bé i el seu cromosoma lineal de 8.7 Mb va ser dels primers amb seqüència completa (Cane & Watt 2003). S. coelicolor és una de les principals espècies on s’han conegut bé els gens de biosíntesi de tots els terpenoides (Cane & Ikeda 2012). Des del punt de vista taxonòmic, S. coelicolor ha estat reclassificada dins l’espècie-grup Streptomyces albidoflavus (Rong et al. 2009).

Figura 3. Colònies de Streptomyces coelicolor, amb un característic pigment blau cel (imatge treta de John Innes Centre 2003).

Malgrat que aquesta ruta biosintètica ha estat molt estudiada durant anys, no ha estat resolta en detall fins fa poc. La geosmina és un metabòlit secundari, o sigui, del metabolisme de síntesi de compostos que no tenen una funció clara en els processos de creixement i manteniment cel·lular. Els metabòlits secundaris, per a l’organisme que els produeix, tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques, com competència amb altres organismes (ex. antibiòtics, toxines) o de protecció (ex. pigments, alcaloides) o de comunicació amb altres cèl·lules o organismes (ex. feromones). Dins dels possibles metabòlits secundaris, la geosmina és del grup dels terpens, que es deriven de l’isoprè o la seva forma activa pirofosfat d’isopentenil (C5), procedent del mevalonat format a partir de l’acetil-CoA (Figura 4). 

Figura 4. Inici de la ruta de biosíntesi dels terpens, presents a molts procariotes i a la majoria d’eucariotes, sobretot fongs i plantes.

Encara que els terpens són biosintetitzats per moltes plantes, la diversitat i funcions dels d’origen microbià és enorme. Vegeu al respecte la recent excel·lent revisió de Avalos et al. (2022). Com passa amb altres metabòlits secundaris, els terpens microbians tenen funcions bioecològiques de competència i defensa, interaccions amb l’hoste, comunicació i senyalització intercel·lular, i resposta a l’estrès per temperatura o pH.

Per polimerització a partir de la unitat bàsica C5 dels terpens i altres reaccions es formen els monoterpens (C10), sesquiterpens (C15), diterpens (C20), i els C25, C30 i C40, que inclouen molts aromes i fragàncies de les plantes, els esteroides, alcaloides, carotens i altres metabòlits secundaris. La geosmina en concret és el compost més representatiu i interessant de la família dels tri-nor-sesquiterpens, que són sesquiterpens degradats que han perdut C3 dels C15. Com veiem (Figura 5), el sesquiterpè bàsic —difosfat de farnesil (FPP)— és convertit en germacradienol, i aquest alliberant acetona (C3) dóna dimetiloctalina, la qual ja és C12 i precursora de la geosmina (Coca-Ruiz et al. 2022).

Figura 5. Biosíntesi de la geosmina (C12H22O) per Streptomyces i altres bacteris, a partir del difosfat de farnesil (FPP), un sesquiterpè (tret de Sen 2016, Jiang et al. 2007, i Coca-Ruiz et al. 2022).

Sorprenentment, aquesta conversió complexa del FPP a la geosmina a S. coelicolor és catalitzada per un sol enzimbifuncional de 726 aminoàcids, germacradienol/geosmina sintasa, del qual el domini N-terminal converteix i cicla el FPP a germacradienol i el domini C-terminal fa la resta, incloent la geosmina sintasa. Ambdues part són dependents de Mg2+ (Jiang et al. 2007).

El gen (SC9B1.20 = SCO6073) que codifica per a aquest enzim a S. coelicolor (soca A3(2)) fou caracteritzat en primer lloc per Cane & Watt (2003) i Gust et al. (2003). Posteriorment s’han trobats gens homòlegs a molts dels altres bacteris productors de geosmina, ja siguin cianobacteris o delta-proteobacteris o gamma-proteobacteris o altres actinobacteris (Figura 6) (Churro et al. 2020).

També recentment s’ha vist que aquest gen de la geosmina sintasa, així com el de la sintasa del 2-metilisoborneol —l’esmentat altre terpè amb aroma de pluja de Streptomyces— tenen uns factors de transcripció específics d’esporulació que fa que s’expressin només en les colònies de Streptomyces que estan esporulant (Becher et al. 2020), la qual cosa està relacionada amb la seva funció de dispersió del bacteri, com ara veurem.

Figura 6. Esquema del clúster gènic de geosmina amb el gen de geosmina-sintasa (geoA) i altres gens relacionats, amb diversos arranjaments a diversos bacteris dels Cyanobacteria Cyano), Deltaproteobacteria (Delta), Gammaproteobacteria(Gamma) i Actinobacteria (Actino). cnb és el gen de la proteïna lligand de nucleòtids cíclics (tret de Churro et al. 2020).

I PERQUÈ STREPTOMYCES PRODUEIX LA GEOSMINA ?

Com hem vist, els metabòlits secundaris com la geosmina tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques o amb altres organismes, que d’alguna manera beneficien la supervivència de l’organisme que els produeix. 

En el cas de la geosmina, sembla que el característic olor de terra humida atrau molt diversos organismes, i entre aquests hi ha diversos invertebrats, els quals es menjarien o adsorbirien els bacteris productors de l’olor, i amb això ajudarien a escampar-ne les espores per tal que els bacteris puguin colonitzar altres terrenys.

Entre aquests invertebrats hi ha sobretot els col·lèmbols. Aquests són minúsculs (5 mm) artròpodes àpters hexàpodes, parents dels insectes, molt abundants a tots els hàbitats de tota la Terra on hi hagi humus o matèria orgànica en descomposició. S’ha vist que Folsomia candida —una de les 8000 espècies de col·lèmbols— (Figura 7) és atreta per la geosmina produïda per Streptomyces, i s’alimenta de les colònies de l’actinobacteri. Amb això, el col·lèmbol dissemina les espores bacterianes a través de les femtes i també perquè se li adhereixen a la cutícula. A més, com he comentat abans, la geosmina només es produeix en la fase d’esporulació de Streptomyces (Becher et al. 2020). Per tant, la funció final de la geosmina és la dispersió del bacteri mitjançant els artròpodes del sòl.

Figura 7. El col·lèmbol Folsomia candida és atret per la geosmina (imatge treta de Ryszard, Flickr). 

…..

GEOSMINA i els CAMELLS, i els CANGURS, i altres

Ara bé, aquests artròpodes no són els únics animals atrets per la geosmina. Com he dit al principi, els humans mateixos tenim una alta sensibilitat olfactiva per detectar aquest compost en concentracions molt baixes. És probable que la sensibilitat per aquest compost ja la tenien els primers animals perquè els actinobacteris productors de geosmina són evolutivament previs (Chater 2015). En molts casos, es creu que l’atracció està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua per beure. 

Els camells són el cas més impressionant, ja que alguns del desert de Gobi són capaços de trobar aigua a més de 80 quilòmetres de distància (Simons 2003). Els camells són mamífers ungulats remugants, pràcticament tots domèstics, molt resistents i molt adaptats als deserts. Són bàsicament 2 espècies: el dromedari o camell comú d’una gepa (Camelus dromedarius) del nord d’Àfrica i península aràbiga, i el camell bactrià (Camelus bactrianus) de 2 gepes del Gobi a Mongòlia i Xina. Poden aguantar sense aigua viatjant pel desert, i quasi sense menjar, durant 3 dies a l’estiu i més de 7 dies a l’hivern. Amb aquestes condicions poden arribar a perdre un 30% del pes corporal sense deshidratar-se, degut a què emmagatzemen aigua intracel·lular com extracel·lular a diferents parts del cos com la sang i el tracte digestiu i quasi tots els òrgans del cos. No és el cas dels característics geps, que són reserves de teixit adipós (Kakar et al. 2011). 

Figura 8. El camell bactrià Camelus bactrianus del desert de Gobi a Mongòlia (imatge de Afhunta 123RF).

Doncs bé, sembla que el fet que els camells puguin trobar aigua des de llocs tan llunyans és gràcies a les molècules de geosmina que el seu bon olfacte detecta. Als terrenys humits (oasis o similars) haurien crescut Streptomyces i altres microorganismes que en esporular excretarien la geosmina que seria transportada per l’aire. En arribar els camells al lloc amb aigua i beure’n, podrien captar les espores del bacteri, i ajudar a la seva propagació portant-les allà on vagin (Simons 2003). Per tant, la geosmina en aquest cas podria ser un mecanisme de disseminació dels bacteris, de forma semblant a com hem vist amb als col·lèmbols.

Hi ha molts altres casos d’animals que detecten la geosmina com a senyal d’aigua o de pluja, i en molts casos això és d’importància vital. En un estudi fet a Austràlia amb cangurs es va veure que just unes 2 setmanes després d’unes bones pluges el 65% de les femelles observades estaven en zel. Com que els fol·licles ovàrics triguen uns 10 dies en madurar, es va concloure que l’estímul de la maduració va ser l’inici de la pluja. Aquesta afavoriria posteriorment un creixement de la vegetació i per tant de menjar disponible per als cangurs. Per tant, d’alguna manera la geosmina amb la pluja seria el senyal de previsió d’una època adient per tenir descendents (Tyndal-Biscoe 2005).

L’atracció de la geosmina no sempre és positiva: la coneguda mosca del vinagre Drosophila melanogaster també té una alta sensibilitat de detecció de la geosmina però en aquest cas la resposta és negativa, quan la detecta se’n allunya ràpidament. És un mecanisme de quimiorepulsió, amb sensors específics de geosmina a nivell neurocerebral, que fa que la mosca eviti qualsevol font de menjar que tingui aquesta olor. Això és per tal d’evitar aliments contaminats amb microorganismes tòxics, ja siguin actinobacteris o cianobacteris o altres. El principal aliment de Drosophila són els llevats que creixen fermentant fruits, i a la mosca li cal distingir molt bé els llevats sans dels que estan recoberts amb altres microbis (Stensmyr et al. 2012).

La importància de la geosmina en les interaccions bioecològiques arriba fins al punt que no només és produïda per microorganismes sinó que també la sintetitzen algunes plantes. Efectivament, s’han trobat alguns cactus i una planta de l’Amazones que les seves flors alliberen geosmina, que atrau els insectes com a senyal d’aigua, els quals accidentalment pol·linitzen la flor (Simons 2003).

Bé, i per acabar tornem als humans. Malgrat que pot ser una mala senyal trobar la geosmina als vins o a alguns aliments deteriorats, està clar que ens agrada l’olor dels camps recent mullats, perquè no deixa de ser l’olor de trobar aigua i per tant de la supervivència (Howes 2013). Per això els perfumistes l’han inclòs com a component d’algunes de les seves pocions irresistibles, bé en solucions de geosmina del 1%, o destil·lant terra assecada al sol junt amb fusta de sàndal, en un perfum que diuen que recorda “l’olor de les primeres pluges del monsó en un terra ressec” (Chater 2015).

……….

BIBLIOGRAFIA

Avalos M, Garbeva P, Vader L, van Werzel GP, Dickschat JS, Ulanova D (2022) Biosynthesis, evolution and ecology of microbial terpenids. Natural Product Reports, 39, 249-272. 

Bear I, Thomas R (1965) Petrichor and Plant Growth. Nature 207, 1415–1416. 

Becher PG, Verschut V, Bibb, MJ, Bush MJ, Molnár BP, Barane E et al. (2020) Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal. Nature Microbiology 5, 821–829.

Cane DE, Ikeda H (2012) Exploration and mining of the bacterial terpenome. Acc Chem Res 45, 3, 463-472. 

Cane DE, Watt RM (2003) Expression and mechanistic analysis of a germacradienol synthase from Streptomyces coelicolor implicated in geosmin biosynthesis. PNAS 100, 4, 1547-1551.

Chater KF (2015) The smell of the soil. Microbiology Today, May 15, 66-69. 

Churro C, Semedo-Aguiar AP, Silva AD, Pereira-Leal JB, Leite RB (2020) A novel cyanobacterial geosmin producer, revising GeoA distribution and dispersion patterns in Bacteria. Sci Rep 10, 8679.

Coca-Ruíz V, Suárez I, Aleu J, Collado IG (2022) Structures, Occurrences and Biosynthesis of 11,12,13-Tri-nor-Sesquiterpenes, an Intriguing Class of Bioactive Metabolites. Plants 11, 769. 

Cotton S (2009) Geosmine, the smell of the countryside. The molecules of the month. Bristol University School, UK.

Gerber NN, Lechevalier HA (1965) Geosmin, an earthy-smelling substance isolated from actinomycetes. Appl. Microbiol 13, 935–938.

Gust B, Challis GL, Fowler K, Kieser T, Chater KF (2003) PCR-targeted Streptomyces gene replacement identifies protein domain needed for biosynthesis of the sesquiterpene soil odor geosmin. PNAS 100, 4, 1541-1546.

Howes L (2013) Magnificent molecules: Geosmin. The Mole, 4, July 2013. 

Jiang J, He X, Cane DE (2007). Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a bifunctional Streptomyces coelicolor enzyme. Nature Chemical Biology, 3(11), 711. 

John Innes Centre (2003) Scientists discover the gene that causes the smell of the eartch and leads camels to water. Biology Online, feb 2003.

Juttner F, Watson S (2007) Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-Methylisoborneol in Source Waters. Applied and Environmental Microbiology 73, 4395–4406. 

Kakar AR, de Verdier K, Muhammad Y, Khan S, Iqbal A, Khan MS (2011) A unique and fascinating creature ! the camel. Article base.com, feb. 2011.

Li Q, Chen X, Jiang Y, Jiang C (2016) Morphological identification of actinobacteria. Actinobacteria – Basics and Biotechnological Applications, ed. D. Dhanasekaran & Y. Jiang. IntechOpen.

Palermo E (2013) Why does rain smell good ? Live Science, June 21.

Piqueras M (2016) Geosmina i la terra mullada. Blog “La lectora corrent”, 10 agost 2016. 

Portillo G (2020) Geosmina. Meteorologia en xarxa. 28 des 2020. 

Rong X, Guo Y, Huang Y (2009).Proposal to reclassify the Streptomyces albidoflavus clade on the basis of multilocus sequence analysis and DNA–DNA hybridization, and taxonomic elucidation of Streptomyces griseus subsp. solvifaciens. Systematic and Applied Microbiology 32, 5, 314-322.

Sen DJ (2016) Moist earth smelling geosmin as a terpene bicyclic alcohol. World J Pharmaceut Res 5, 8, 1-8.

Simons P (2003) Camels act on a hump. The Guardian 6 Mar 2003. 

Stensmyr MC, Dweck HKM, Farhan A, Ibba I, Strutz A, Mukunda L et al. (2012) A conserved dedicated olfactory circuit for detecting harmful microbes in Drosophila. Cell, 151, 6, 1345-1357.

Tyndale-Biscoe H (2005) Life of Marsupials. Csiro Publishing, Collingwood, Australia

La microbiota fecal desvetlla que els miners de Hallstatt fa 2700 anys tenien una dieta variada, incloent formatge blau i cervesa

1 nov 2021

Click here for the English version: Faecal microbiota from 2700 years

Fa pocs dies vaig llegir aquesta notícia al New Scientist (Wong 2021) que em va atraure de seguida: Minaires –o miners– de l’edat del ferro bevien cervesa i menjaven formatge blau i això s’ha comprovat gràcies als seus excrements fecals. Bé, em va atraure, com podeu suposar no tant per motius escatològics fisiològics –he he–, com per això del consum de cervesa i formatge blau a la prehistòria. Vaig trobar la mateixa notícia pels mateixos dies a altres publicacions digitals de divulgació científica mitjançant les xarxes socials, com per exemple a Cell Press (2021).

La notícia sintetitza –molt– un treball recentment publicat al Current Biology per un grup d’investigadors (Maixner et al 2021), sobretot del Tirol italià i d’Àustria, que han fet un estudi molt complet de mostres de femtes prehistòriques –paleofemtes– de les mines de sal de Hallstatt, a Àustria, per tal de conèixer la dieta i nutrició, i també la microbiota intestinal d’aquests miners (Figura 1). 

Figura 1. Esquema de l’estudi realitzat amb paleofemtes de les mines de Hallstatt per Maixner et al. (2021).

En llegir l’article de Maixner, de seguida va augmentar el meu interès perquè toca diverses àrees que fa temps que m’interessen: a) la història i evolució de les diferents poblacions humanes; b) la microbiota intestinal; i c) els aliments fermentats i els diversos microorganismes implicats. 

L’estudi multidisciplinari inclou anàlisis detallades de microscòpia, metagenòmica i proteòmica d’aquestes mostres. En concret les mostres de paleofemtes de 1-2 cm (vegeu l’aspecte a la Figura 2) són de 1300-1100 aC (edat del bronze), de 600-500 aC (edat del ferro) i de 1720-1780 dC, o sigui del segle 18. Les datacions han estat fetes amb radiocarboni 14C.

Figura 2. Imatge d’una paleofemta humana del 600 aC de les mines de sal de Hallstatt on es veuen grans de fesols, mill i ordi. Tret de Cell Press (2021): Anwora/NHMW.

Perquè les mines de sal de Hallstatt ?

Hallstatt és un bonic petit poble a les vores d’un llac alpí a l’alta Àustria, a uns 80 km de Salzburg, a la regió de Salzkammergut (Figura 3). Com veiem, els topònims fan referència a la sal, per la importància històrica d’aquesta en l’economia de la regió. El poble és conegut sobretot per l’anomenada “cultura de Hallstatt”, el període final de l’edat del bronze (1200-800 aC) i inicial de l’edat del ferro (800-500 aC.), que es desenvolupà sobretot al centre d’Europa, a les conques altes del Rin i el Danubi. 

La cultura de Hallstatt es caracteritza per l’ús avançat del treball amb metalls, ferro sobretot, i l’agricultura. Eren pobles indoeuropeus, societats tribals avançades, precursors dels celtes, i amb molt de comerç amb els pobles mediterranis. A Hallstatt hi han les mines de sal, explotades des del 1400 aC, i hi ha nombrosos enterraments d’aquesta cultura, amb molts objectes d’ús quotidià i ornamentals. L’àrea de Hallstatt-Dachstein fou declarada patrimoni cultural per la UNESCO.

Figura 3. El poble de Hallstatt, a l’alta Àustria (imatge de viajandonuestravida.com)

Les mines subterrànies de sal de Hallstatt són de les més antigues conegudes (Figura 4), amb un registre continu d’explotació, i ofereixen unes condicions ideals de preservació. Vegeu el lloc web de la visita al museu de les mines a https://www.salzwelten.at/en/hallstatt. L’elevada concentració de sal i la temperatura constant de 8ºC a l’interior de les galeries aïllades preserven molt bé els materials orgànics relacionats amb els humans. 

Des del segle 19 els arqueòlegs han estat treballant a Hallstatt, i a més de 2000 tombes protohistòriques a l’entorn del poble, a les mines s’han excavat capes denses de diversos metres de residus, descobrint milers d’eines de fusta i elements de construcció, instruments fets amb pell, centenars de fragments tèxtils de llana, herba, cordes i excrements humans, com els de les mostres d’aquest estudi.

Figura 4. Simulació del treball a les mines de sal de Hallstatt. Tret de https://www.salzwelten.at/en/hallstatt.

La microbiota fecal dels miners

Per estudiar la microbiota fecal, les mostres de paleofemtes han estat tractades per Maixner et al (2021) per extreure el DNA i generar-ne biblioteques gèniques per seqüenciació multiplex amb una plataforma Illumina. Els quasi 300 milions de lectures obtingudes de seqüències de DNA han estat analitzades i comparades amb les bases de dades del NCBI per tal de conèixer la taxonomia de les espècies microbianes i d’altres.

Considerant l’edat de les mostres, el DNA danyat ha estat excepcionalment baix. Aquesta preservació tan bona probablement és deguda a la ràpida dessecació de les mostres a les mines de sal, que redueix molt el dany hidrolític de les biomolècules. La majoria del DNA identificat correspon a bacteris, un 79 a 94%, essent Firmicutes i Bacteroidetes els fílums més abundants.

De les 15 espècies més abundants identificades a les mostres (Figura 5), n’hi ha 13 que són freqüentment associades a la microbiota intestinal humana. Una de les dues “alienes” és Halococcus morrhuae, un arqueu halòfil, que normalment viu en altes concentracions de sal, i que probablement s’incorporà a partir dels cristalls de sal que envoltaven la mostra. L’altra no usual als humans sans és Clostridium perfringens, conegut patogen alimentari que causa fortes diarrees. Però com que aquest fet no s’ha detectat a les mostres, és probable que fos un contaminant, segons els autors. Com veiem a la mateixa Figura 5, les espècies identificades han estat comparades en quant a la seva prevalença en mostres actuals de poblacions no-occidentalitzades i occidentalitzades, entenent per “no-occ…” les d’estil de vida no urbanitzat, dieta amb menjar poc processat i molta fruita i verdura, higiene senzilla, i accés limitat a l’assistència sanitària i productes farmacèutics.

Figura 5. Les 15 espècies més abundants identificades a les mostres de paleofemtes en base a l’análisi metagenòmica del DNA, i comparació de la seva prevalença en mostres contemporànies de poblacions no-occidentalitzades (blau, 725 mostres) i occidentalitzades (marron, 8243 mostres). A la dreta en vermell els fílums i subfílums corresponents. Els triangles blaus són les espècies que són el doble de presents en poblacions no-occidentalitzades. Adaptat de Maixner et al (2021).

Entre les 13 espècies trobades com a més abundants, n’hi ha 8 Firmicutes (5 clostridials, 2 Erysipelotrichia i 1 lactobacil), 1 bacteroidal (Prevotella), 3 Actinobacteria incloent-hi 2 bifidobacteris), i 1 metanogen. Cal destacar que 5 d’aquestes més abundants són de les predominants a la microbiota de poblacions actuals no-occidentalitzades, senyalades amb triangle blau a la Figura 5. El cas més rellevant és Prevotella, el bacteroidal ben conegut en poblacions no occidentalitzades amb dietes més riques en carbohidrats i menys en proteïnes i greixos animals (vegeu el meu post sobre Bacteroides), que en les mostres de paleofemtes és al voltant del 7%. Prevotella copri en particular s’associa amb la digestió de carbohidrats complexes, components majoritaris d’una dieta vegetal rica en fibra i no processada. També és rellevant la presència de 2 bifidobacteris i un lactobacil, bacteris sovint relacionats amb productes làctics i probiòtics. 

No hi ha gaire diferències entre les microbiotes de les mostres de l’edat de ferro, les del segle 18 i les de poblacions actuals no occidentalitzades. Això concorda amb què la dieta majoritària en tots aquests casos és d’aliments no processats, sobretot cereals, i fruites i verdures fresques. En efecte, en l’anàlisi microscòpica de les paleofemtes s’observen restes d’ordi, blat, mill, llegums i diversos fruits silvestres. La principal diferència en la mostra del segle 18 és que el material vegetal és molt més fi, com si hagués estat més triturat. Això suggereix que els miners protohistòrics devien menjar els cereals i llegums en una espècie de puré mentre que els del segle 18 ho devien fer en forma de pa o galetes.

En analitzar DNA animal, com era d’esperar, en el cas de l’humà, eren tots homes, mascles, els miners és clar. Respecte a altres animals que serien part de la dieta, se n’ha trobat de boví i porcí, en totes les mostres.

I menjaven formatge blau i bevien cervesa ?

Sembla que sí. Bé, de fet no ens hauria d’estranyar. Els humans coneixen i elaboren aliments fermentats (vegeu el meu post del 5 març 2021) sobre el concepte d’aliments fermentats) des de fa alguns milers d’anys. En quant als formatges i llets fermentades, és molt probable que amb la revolució neolítica agrícola en diferents llocs fa més 10000 anys (vegeu el meu post del 26 desembre 2012) ja s’aprofités la llet de diversos animals domesticats i s’elaboressin aquests productes fermentats, més duradors que la llet i més digeribles que aquesta. En quant a la cervesa, està ben registrat que els antics egipcis i mesopotamis ja n’elaboraven, en principi com a subproducte dels cereals, fa uns 6000 anys.

El treball de Maixner et al (2021) amb les paleofemtes té el mèrit de demostrar aquest consum a partir de la microbiota fecal, per part d’aquests miners de Hallstatt. En l’anàlisi metagenòmica del DNA present a les mostres han estudiat també els fongs, i han trobat sobretot en una de les mostres de l’edat del ferro (del 600 aC, fa 2600 anys) una gran abundància (fins a un 20% del DNA eucariòtic) de Penicillium roqueforti i de Saccharomyces cerevisiae, així com proteïnes d’aquests fongs a l’estudi proteòmic. Els autors han confirmat que aquests fongs són d’origen antic perquè els nivells de DNA danyat són semblants als del DNA humà endogen de les mateixes mostres. Com que P. roqueforti s’utilitza per a la fermentació de formatges i S. cerevisiae és el llevat present a l’elaboració de cervesa i vi, es pot suposar que aquests identificats haurien estat implicats en el processat d’aquests aliments d’aquella època. Per confirmar-ho, els autors han recorregut a reconstruir els genomes i fer filogènia comparativa amb soques actuals de diferents procedències.

Amb això, han vist que aquests P. roqueforti de les paleofemtes de l’edat del ferro s’assemblen genèticament a les soques de formatges blaus però no a les de Roquefort en concret. Per tant, aquests miners devien elaborar formatges blaus no-Roquefort. Malgrat la semblança, les soques modernes presenten molts fragments de soques d’altres formatges, resultat de transferència genètica horitzontal (TGH), relacionada amb la selecció i encreuaments a què han estat sotmesos, mentre que les de l’edat de ferro no presenten signes de TGH. 

El suggeriment de què aquests miners consumien formatges blaus té un bon recolzament pel fet que avui dia s’elaboren amb una aplicació de sal a la superfície, fins a un 7%, la qual cosa era ben factible a l’entorn de mines de sal. El quallat i elaboració del formatge serien fetes en recipients de fusta com els trobats a les mateixes mines (Figura 6). Aquests formatges blaus, a banda d’aportar nous aromes i textures, tenen els avantatges –com la majoria de formatges i llets fermentades– de molt llarga caducitat i baix contingut en lactosa, la qual cosa afavoreix la digestió, sobretot en pobles amb baixa tolerància, com devia ser el cas en aquella època. 

Figura 6. Recipient de fusta trobat a les mines de sal de Hallstatt, que suposadament era utilitzat en l’elaboració de formatges per a l’extracció del xerigot. Tret de Maixner et al (2021).

En el cas de les S. cerevisiae, les de l’edat del ferro han estat comparades amb 157 soques actuals de pa, cerveses, vins, sake, bioalcohols, de laboratori i silvestres. En una primera anàlisi s’ha constatat que les de les paleofemtes s’assemblen més a les de vi i cervesa, i són ben diferents de les silvestres. Per tant, eren soques ja domesticades en l’elaboració de begudes alcohòliques. En una PCA (Figura 7) s’ha vist més similitud amb S. cerevisiae de cerveses actuals, en concret d’un grup de cerveses (beer 2), més properes a les del vi. Les anàlisis d’alguns gens marcadors i la proteòmica també han confirmat que les soques antigues estaven relacionades amb la fermentació alcohòlica, sigui de cerveses o de vins.

Figura 7. Anàlisi de components principals (PCA) dels genomes de soques de Saccharomyces cerevisiae de diferents procedències. 2604 és el genoma de S. cerevisiae de les paleofemtes de l’edat del ferro. Tret de Maixner et al (2021).

La proposta de que fossin S. cerevisiae de cerveses també lliga amb les anàlisis de la dieta, amb abundància de cereals, com en altres cultures i civilitzacions protohistòriques, com els sumeris i egipcis més o menys des del 3000 aC, força abans que aquestes mostres de les mines de sal.

Bé, tot plegat, aquest és un treball molt interessant que per un costat confirma que els humans elaboren aliments fermentats des de fa alguns milers d’anys, i per altre costat, demostra l’efectivitat dels mètodes moleculars més innovadors per identificar microorganismes de la microbiota, en aquest cas per la bona conservació de les mostres gràcies a la sal. Com sabeu, el protagonisme de la sal al llarg de la història li ha conferit un caràcter quasi sagrat i certament carregat de simbolisme.

Bibliografia

Cell Press (2021) “Ancient feces shows people in present-day Austria drank beer and ate blue cheese up to 2,700 years ago” Science Daily, 13 October. www.sciencedaily.com/releases/2021/10/211013114028.htm.

Maixner F, Sarhan MS, Huang KD, …. 15 ….., Zink KD, Reschreiter H, Kowarik K (2021) Hallstatt miners consumed blue cheese and beer during the Iron Age and retained a non-Westernized gut microbiome until the Baroque period. Current Biology 31, 1-14. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.09.031

Wong C (2021) “Ancient faeces show iron age miners ate blue cheese and drank beer”. New Scientist, 13 October. https://www.newscientist.com/article/2293434-ancient-faeces-show-iron-age-miners-ate-blue-cheese-and-drank-beer/

Wolbachia, el bacteri “feminista”, és eficaç contra el dengue i altres virus

15 agost 2021

Click here for the English version: Wolbachia, the feminist bacterium against dengue

QUI ÉS Wolbachia ?

Wolbachia és un gènere de bacteris endosimbionts (intracel·lulars) d’insectes i altres invertebrats que es va descobrir per estar implicat en el fenomen d’incompatibilitat citoplasmàtica, pel qual alguns encreuaments entre insectes infectats amb el bacteri donen distorsions de la ràtio de sexes o provoquen la mort de l’embrió. Encara que no es podien aïllar en medis de cultiu, l’amplificació amb PCR permeté seqüenciar els gens 16S rRNA i identificar-los com membres de l’ordre Rickettsiales dins el fílum alfa-proteobacteris (O’Neill et al. 1992). Tal com comentava en un altre post d’aquest mateix blog sobre els fílums bacterians, tots els bacteris d’aquest ordre, com també Rickettsia –patogen d’humans –, són endosimbionts obligats de cèl·lules eucariotes, i la relació filogenètica suggereix que els mitocondris –també endosimbionts– es van desenvolupar a partir d’aquest grup.

Com veiem (Figura 1, Figura 2), aquests Wolbachia són pleomòrfics, amb forma arrodonida predominant, de mida 0.2 a 4 micròmetres, residents en vacuoles de l’hoste. Són gram-negatius, amb un genoma aproximat de 1 Mb i uns 1000 gens (Taylor et al. 2018). El gènere Wolbachia fou identificat el 1925 per M. Hertig i S.B. Wolbach al mosquit comú Culex pipiens i ja el van descriure com a intracel·lular i que aparentment infectava només les gònades de l’insecte (Hertig & Wolbach 1924).

Figura 1. Micrografia electrònica de bacteris Wolbachia (colorejats en blau) dins una cèl·lula de mosquit (imatge de Scott O’Neill, tret de Wu et al. 2004a)

——————————————————————————————————-

Figura 2. Micrografies electròniques de Wolbachia: A) Al costat d’un mitocondri dins una cèl·lula embrionària de Drosophila (tret de Zhukova et al. 2008); B) Detall d’una cèl·lula de Wolbachia (tret de Wolbadmin 2021). 

Es troben Wolbachia en el 60% de les espècies d’insectes, i també en altres invertebrats, com aràcnids, nematodes, crustacis isòpodes i altres. De fet, és el bacteri paràsit més comú al món animal (LePage & Bordenstein 2013). L’espècie més comuna és W. pipientis, del qual actualment ja es disposa de la seqüència genòmica completa (Wu et al. 2004b). Sempre són endosimbionts, no es troben mai al medi ambient. Les interaccions amb l’hoste sovint són complexes i en algun cas són més mutualistes que paràsits (Taylor et al. 2018). Wolbachia es transmet a la descendència dels insectes sobretot verticalment per les femelles infectades. Algun cop pot ser transmesa horitzontalment, com s’ha vist en les vespes Trichogramma on es poden transmetre per contagi (Schilthuizen & Stouthamer 1997).

Des d’abans dels anys 1980s s’han descrit aquests bacteris com a “factors sexuals feminitzants” citoplasmàtics (Bull 1983) a diversos invertebrats, com insectes i crustacis isòpodes. D’aquests destaquen els treballs amb Armadillidium vulgare, els porquets de Sant Antoni o cochinillas, on Martin et al (1973) ja deien que aquests factors eren microorganismes, i després Rigaud & Juchault (1992) ja insinuaven que devien ser Wolbachia. Els bacteris feien que mascles es convertissin en femelles funcionals, que tenien descendència majoritàriament femenina. Els Wolbachia intracel·lulars alteren la biologia reproductiva de l’hoste animal de diverses maneres, com veurem tot seguit. Per tot això i com veieu al títol, sovint es fa l’acudit que Wolbachia és un bacteri “feminista” (Yong et al. 2016).

Els gens de Wolbachia també poden transmetre´s horitzontalment (TGH), per transducció, gràcies a un bacteriòfag. El fet que pugui haver-hi diverses soques de Wolbachia al mateix hoste permet l’intercanvi de gens entre elles mitjançant el fag (Kent et al. 2011). Aquest seria el primer cas de TGH detectat en un endosimbiont, fins i tot creuant barreres entre espècies, donant lloc a una distribució global en diversos hostes invertebrats. Tot plegat són fenòmens que contribueixen a l’evolució i per tant s’insinua que els Wolbachia són manipuladors de la biologia dels invertebrats (Werren et al 2008).

MÉTODES DE DIFERENCIACIÓ SEXUAL ALS HOSTES CAUSADA PER Wolbachia, INCLOENT LA FEMINITZACIÓ

Aquests bacteris poden infectar molt diversos òrgans, però les infeccions de les gònades són les que tenen més repercussió fenotípica. Als hostes que contenen Wolbachia, els bacteris són presents sempre als òvuls madurs però no a l’esperma. Per tant, només les femelles infectades són les que passen la infecció a la descendència. Wolbachia maximitza la seva propagació alterant significativament la capacitat reproductiva de l’hoste, de 4 maneres possibles:

1- Els mascles infectats moren durant el desenvolupament larvari, amb la qual cosa augmenta la proporció de femelles infectades. S’ha observat en coleòpters i lepidòpters (Hurst et al 1999).

2- Alguns mascles infectats es desenvolupen com femelles, hi ha feminització, com en alguns lepidòpters (Fujii et al 2001).

3- La partenogènesi, o sigui la reproducció de les femelles, infectades en aquest cas, sense mascles. També és una feminització o predomini de les femelles. Cada cop s’estan veien més casos de partenogènesi relacionats amb la presència de Wolbachia, amb la qual cosa fins i tot s’ha suggerit que aquest fenomen sempre seria atribuïble als bacteris (Tortora et al. 2007). 

La partenogènesi dels himenòpters és de les més conegudes. Aquest ordre d’insectes (formigues, abelles, vespes, borinots i els símfits) tenen un sistema de determinació de sexe haplodiploïde. Alguns d’ells produeixen mascles haploides a partir d’ous no fertilitzats (arrenotòquia), una partenogènesi meiòtica. Però, a més en alguns himenòpters socials les reines o els individus obrers produeixen femelles diploides mitjançant telitòquia, una partenogènesi ameiòtica, on l’òvul haploide se segmenta sense fecundar. Òbviament, el control del sexe de la descendència és un factor clau en l’evolució de les estructurals colonials en aquests insectes socials (Pearcy 2004). La partenogènesi no és exclusiva d’himenòpters, ja que en tenen força altres insectes i altres animals (Wrensch & Ebbert 1993).

La partenogènesi causada per Wolbachia a la vespa Trichogramma ha estat força estudiada. El bacteri és al citoplasma dels òvuls de la vespa on indueix la duplicació dels gàmetes, donant lloc a una generació de tot femelles, o sigui és una completa partenogènesi, de tipus telitòquia (Schilthuizen & Stouthamer 1997, Huigens & Stouthamer 2003). 

A més de Wolbachia, aquesta inducció de la partenogènesi també s’ha observat en Cardinium (Jeong & Stouthamer 2004), un altre bacteri gramnegatiu – un bacteroidetes en aquest cas– que parasita altres vespes, del gènere Encarsa (Zchori-Fein et al. 2004). 

4- La incompatibilitat citoplasmàtica (IC CI en anglès)

És la incapacitat dels mascles infectats per Wolbachia de reproduir-se amb femelles no infectades o infectades amb una altra soca del bacteri. A l’esquerra de la Figura 3 veiem que l’esperma no infectat pot fecundar tant òvuls infectats com els no infectats amb Wolbachia, i a la dreta veiem com l’esperma modificat per la infecció amb Wolbachia quan fecunda els òvuls que no contenen el bacteri, s’indueix la IC, i l’embrió mor i no arriba a terme. 

Aquesta IC s’ha relacionat amb deficiències a la primera divisió mitòtica de l’embrió, amb errors a l’obertura de la membrana nuclear paterna, inestabilitat de les histones maternes sobre el DNA patern i replicació alentida d’aquest DNA, a més de defectes als cromosomes paterns (LePage & Bordenstein 2013).

Figura 3. Incompatibilitat citoplasmàtica induïda per Wolbachia. La infecció per Wolbachia (W, porpra) causa una modificació a l’esperma que pot ser revertida pels òvuls de femelles infectades, però que porten a la mort de l’embrió si els òvuls no estan infectats. W–, sense Wolbachia; W+, amb Wolbachia; W modified, esperma modificat amb Wolbachia; CI, Incompatibilitat citoplasmàtica (Imatge de R.M. Brucker, treta de LePage & Bordenstein 2013).

Aquesta incompatibilitat unidireccional implica un clar augment a la descendència de femelles infectades amb Wolbachia, amb la qual cosa és un mecanisme de selecció positiva del bacteri. Tanmateix, aquest mecanisme de CI no influeix sobre el sexe de l’embrió.

Molts d’aquests efectes de diferenciació sexual, i sobretot la feminització i mort dels mascles poden portar a la formació de noves espècies. Per exemple, s’ha observat la pèrdua d’algun dels cromosomes sexuals, i també que les incompatibilitats degudes a la infecció amb diferents soques de Wolbachia poden afavorir la especiació dels hostes sense haver-hi barreres ecològiques o geogràfiques (Charlat 2003).

AVANTATGES DE LA “INFECCIÓ” AMB Wolbachia PER A L’HOSTE

A banda dels possibles efectes evolutius suara comentats, s’ha comprovat que alguns hostes es beneficien de la presència endosimbiòtica de Wolbachia. Per tant, encara que parlem de “infecció” i “paràsits”, la relació és sobretot mutualística. 

Uns dels avantatges és la resistència viral trobada a Drosophila i a diversos mosquits, que quan són infectats amb Wolbachia són molt més resistents a virus RNA (Hedges et al. 2008), com veurem tot seguit. També s’ha observat que els bacteris ajuden a Drosophila en el metabolisme de ferro i algunes vitamines. En el cas dels nematodes com les filàries, sembla que Wolbachia li proporciona al cuc alguns compostos necessaris per a la seva reproducció (Foster et al. 2005).

Wolbachia PER COMBATRE VIRUS HUMANS

Hi ha força virus patògens d’humans que són transmesos per mosquits. Informalment els virus transmesos per artròpodes s’anomenen arbovirus (de arthropode-borne virus). Dels mosquits, Aedes aegypti és el que té més rellevància per ser el vector transmissor d’una sèrie de malalties víriques tropicals problemàtiques actualment, com el dengue, la febre groga, el zika, el chikungunya, el virus del Nil occidental o la mateixa malària. Moltes d’aquestes malalties d’arbovirus estan molt poc controlades i els virus causants són patògens emergents o reemergents que produeixen malalties importants i epidèmies per tot el món (Conway et al. 2014). Les causes són sobretot l’augment de població i de mobilitat, la urbanització i la pèrdua d’àrees forestals. Per exemple, el nombre de casos simptomàtics de dengue s’ha doblat els darrers 10 anys, la meitat dels humans viuen en àrees endèmiques de dengue i s’estima que cada any hi ha un total de 390 milions de noves infeccions i uns 13000 morts més. Aquest escenari quasi pandèmic ha portat a la OMS designar el dengue com una de les 10 principals amenaces de la salut mundial (Gil Ferreira et al. 2020).

Actualment, la majoria d’estratègies de control dels arbovirus es basen en insecticides i en reduir els ambients on prosperen els mosquits vectors, o bé en tractaments simptomàtics no específics de les malalties ja que en la majoria d’aquests casos encara no hi ha vacunes assequibles. Tanmateix, els insecticides no són específics, causen toxicitat ambiental i indueixen la resistència a aquests compostos. Calen estratègies més efectives i sostenibles urgentment (Gil Ferreira et al. 2020), i aquí és on entra Wolbachia.

Com hem vist, característiques de Wolbachia com la incompatibilitat citoplasmàtica la fan útil per promoure derives genètiques a una població d’insectes. El fet que les femelles infectades amb Wolbachia produeixen descendència tant de mascles infectats com dels no-infectats mentre que les femelles no infectades només puguin tenir descendents amb mascles no infectats dona lloc a un avantatge reproductiu per a les infectades que fa augmentar ràpidament la presència de Wolbachia (Hancock et al. 2011).

Molts mosquits, incloses algunes de les principals espècies transmissores de malalties, porten Wolbachia. Per exemple, l’esmentat mosquit comú Culex pipiens i altres, porten soques d’aquest bacteri. Però en canvi, Aedes aegypti i altres espècies considerades importants en la transmissió de patògens humans gairebé no tenen Wolbachia de forma natural (Moreira et al. 2009).

Per això, s’hi va treballar i es va aconseguir amb èxit, la transfecció de Wolbachia als mosquits Aedes mitjançant tècnica de microinjecció al laboratori, tant en el mosquit tigre Ae. albopictus (Xi et al. 2005), com per a Ae. aegypti (McMeniman et al. 2009). 

L’avenç important va esdevenir tot seguit quan es va descobrir que aquests Wolbachia transferits promovien una interferència amb els virus patògens humans transmesos pels mosquits. En efecte, es va demostrar el bloqueig de replicació dels virus del dengue, Zika, febre groga i virus Mayayo (Moreira et al. 2009). Els mecanismes d’aquest bloqueig sembla que són diversos, com una major producció d’espècies reactives d’oxigen (ROS) i la competència pels recursos cel·lulars –com el colesterol– entre Wolbachia i els virus. A més a més, s’ha observat que el bacteri estimula el sistema immune del mosquit impedint les infeccions víriques, amb la qual cosa el nombre de mosquits transmissors als humans és menor (Moreira et al. 2009, Gil Ferreira et al. 2020).

S’han aplicat diverses estratègies d’introducció dels Aedes infectats amb Wolbachia en poblacions on hi ha els virus, i la que està funcionant millor és alliberar un nombre relativament reduït de mosquits portadors de Wolbachia, tant mascles com femelles, a la natura. El nombre d’aquests mosquits va creixent i van passant els bacteris a la població silvestre de mosquits mitjançant el mecanisme d’incompatibilitat citoplasmàtica, i arriben a ser majoria en pocs mesos (Figura 4).

Figura 4. Esquema de com els mosquits infectats amb Wolbachia alliberats en una població natural poden reemplaçar als mosquits silvestres no infectats (Moronta 2016).

Aquesta estratègia té els avantatges d’utilitzar mètodes naturals, no és gaire costosa, és fàcil de portar a terme, i és sostenible, ja que un cop els mosquits infectats són majoria es mantenen sense intervenció humana. Aquesta estratègia està en línia amb l’Agenda 2030 de Desenvolupament Sostenible de l’ONU (Gil Ferreira et al. 2020).

En l’aplicació d’aquesta estratègia amb Wolbachia i els mosquits cal destacar el World Mosquito Program (2021), que s’inicià el 2004 gràcies a la Fundació Bill & Melinda Gates i a la Fundació del NIH dels USA. El 2011 es van començar les primeres proves de camp a Cairns, al Nord d’Austràlia. S’hi van anar introduint tandes d’ous de mosquits amb la col·laboració dels membres de la comunitat, durant 10 setmanes, aconseguint taxes exitoses de mosquits-Wolbachia de més del 90% (World mosquito Program / Our story). Això va anar aparellat amb una quasi pràctica desaparició de la malaltia del dengue (Figura 5, 1a columna esquerra) i la proporció de mosquits-Wolbachia s’ha mantingut estable durant 8 anys (Gil Ferreira et al. 2020). Posteriorment el WMP s’ha anat estenent a Malàisia (Wolbadmin 2021), Indonèsia (Olazo 2021), Vietnam i altres països amb presència de dengue i s’ha comprovat que l’estratègia funciona molt bé (Figura 5).

Figura 5. Reducció del dengue en 1-2 anys en poblacions d’Austràlia (Cairns, Townsville), Indonèsia (Yogyakarta), Vietnam (Vinh-Luong), Brasil (Rio, Niteroi) i Colòmbia (Bello, Medellín) on s’han alliberat mosquits infectats amb Wolbachia, dins el World Mosquito Program (tret de WMP Impact: dades de desembre 2020)

Aquest està essent un dels exemples més exitosos de com un vector, el mosquit, pot ser utilitzat com un aliat per combatre els arbovirus (Gil Ferreira et al. 2020).

D’altra banda, en el cas dels nematodes que contenen Wolbachia com les filàries, que provoquen les filariosis, malalties tropicals humanes i d’altres animals domèstics, la solució està essent el tractament amb antibiòtics com doxiciclina o altres que inhibeixen el bacteri, amb la qual cosa excepcionalment s’empra un antibiòtic per combatre un paràsit invertebrat (Fundación iO 2021, Taylor et al. 2018).

BIBLIOGRAFIA 

Bull JJ (1983) Evolution of Sex Determining Mechanisms. Benjamin/CummingS Publ. Co., Menlo Park, CA, USA.

Charlat S (2003) Evolutionary consequences of Wolbachia infections. Trends in Genetics 19(4):217–23

Conway MJ, Colpitts TM, Fikrig E (2014) Role of the Vector in Arbovirus Transmission. Annual Review of Virology 1:1,71-88

Foster J, Ganatra M, Kamal I, et al. (2005) The Wolbachia Genome of Brugia malayi: Endosymbiont Evolution within a Human Pathogenic Nematode. PLOS Biology 3(4): e121.

Fundación iO (2021, August 12) Enfermedades: WolbachiaFundación iO. Retrieved from https://fundacionio.com/salud-io/enfermedades/wolbachia/

Fujii Y, Kageyama D, Hoshizaki S, Ishikawa H, Sasaki T (2001) Transfection of Wolbachia in Lepidoptera: the feminizer of the adzuki bean borer Ostrinia scapulalis causes male killing in the Mediterranean flour moth Ephestia kuehniella. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 268(1469): 855–859.

Gil Ferreira A, Fairlie S, Luciano Moreira LA (2020) Insect vectors endosymbionts as solutions against diseases. Curr Opinion in Insect Sci 40, 56-61. 

Hancock PA, Sinkins SP, Godfray HC (2011) Strategies for introducing Wolbachia to reduce transmission of mosquito-borne diseases. PLOS Negl. Trop. Dis. 5(4): e1024.

Hedges L, Brownlie J, O’Neill S, Johnson, K (2008) Wolbachia and Virus Protection in Insects. Science 322(5902):702

Hertig M, Wolbach SB (1924) Studies on Rickettsia-Like Micro-Organisms in Insects. Journal of Medical Research44(3):329-374.

Huigens ME, Stouthamer R (2003). Parthenogenesis associated with Wolbachia. In: Bourtzis K, Miller TA (eds) Insect Symbiosis. CRC Press: Boca Raton, FL, pp 247–266.

Hurst G, Jiggins FM, Graf von der Schulenburg JH, Bertrand D et al. (1999) Male killing Wolbachia in two species of insects. Proceedings of the Royal Society B 266 (1420): 735-740.

Jeong G, Stouthamer R (2004) Genetics of female functional virginity in the Parthenogenesis-Wolbachia infected parasitoid wasp Telenomus nawai (Hymenoptera: Scelionidae). Heredity 94 (4): 402–407. 

Kent BN, Salichos L, Gibbons JG, et al. (2011) Complete Bacteriophage Transfer in a Bacterial Endosymbiont (Wolbachia) Determined by Targeted Genome Capture. Genome Biology and Evolution 3:209–218

LePage D, Bordenstein SR (2013) Wolbachia: can we save lives with a great pandemic ? Trends in Parasitology 29, 385-393. 

Martin G, Juchault P, Legrand JJ (1973) Mise en evidence d’un micro-organisme intracytoplasmique symbiote de l’oniscoïde Armadillidium vulgare Latr. dont la presence accompagne l’intersexualite ou la feminisation totale des males genetiques de la lignee thelygene. C.R. Acad. Sci. Paris, 276,2312—2316.

McMeniman CJ, Lane RV, Cass BN et al. (2009) Stable introduction of a life-shortening Wolbachia infection into the mosquito Aedes aegyptiScience 323:141-144

Moreira LA, Iturbe-Ormaetxe I, Jeffery Ja, Lu G, Pyke AT, Hedges LM, Rocha BC, Hall-Mendelin S, Day A, Riegler M et al. (2009) A Wolbachia symbiont in Aedes aegypti limits infection with dengue, chikungunya, and plasmodium. Cell139:1268- 1278. 

Moronta F (2021 August 12) La bacteria Wolbachia puede frenar la expansión del Zika. Félix-Moronta-Blog, 06/05/2016. Retrieved from http://felixmoronta.pro/wolbachia-zika/

Olazo A (2021, June 15)Wolbachia, la bacteria que infecta mosquitos y reduce la transmisión del dengue en un 77%. Robotitus. Retrieved from https://www.robotitus.com/wolbachia-la-bacteria-que-infecta-mosquitos-y-reduce-la-transmision-del-dengue-en-un-77

O’Neill SL, Giordano R, Colbert AME, Karr TL, Robertson HM (1992) 16S rRNA phylogenetic analysis of the bacterial endosymbionts associated with cytoplasmic incompatibility. Proc Natl Acad Sci USA 89, 2699-2702. 

Pearcy, M. (2004). Conditional Use of Sex and Parthenogenesis for Worker and Queen Production in Ants. Science 306(5702): 1780–1783.

Rigaud T, Juchault P (1992) Genetic control of the vertical transmission of a cytoplasmic sex factor in Armadillidium vulgare Latr. (Crustacea, Oniscidea). Heredity 68, 47-52

Schilthuizen MO, Stouthamer R (1997) Horizontal transmission of parthenogenesis-inducing microbes in Trichogramma wasps. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 264, 361-366. 

Taylor MJ, Bordenstein SR, Slatko B (2018) Microbe Profile: Wolbachia: a sex selector, a viral protector and a target to treat filarial nematodes. Microbiology 164(11):1345–1347

Tortora GJ, Funke BR, Case CL (2007) Microbiology: an introduction. Pearson Benjamin Cummings.

Werren JH, Baldo L, Clark ME (2008) Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology. Nature Reviews Microbiology 6, 741-751. 

Wikipedia (2021 August 12). WolbachiaWikimedia Foundation. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Wolbachia

Wolbadmin (2021 August 12). What is WolbachiaWolbachia Malaysia. Retrieved from https://www.imr.gov.my/wolbachia/2021/05/25/what-is-wolbachia/

World Mosquito Programm (2021 August 12). The World Mosquito Program’s Wolbachia Method. World Mosquito Program. Retrieved from https://www.worldmosquitoprogram.org

Wrensch DL, Ebbert MA (1993) Evolution and Diversity of Sex Ratio in Insects and Mites. Chapman & Hall: New York and London.

Wu M et al. (2004a) Genome Sequence of the Intracellular Bacterium WolbachiaPLoS Biology 2(3): e76.

Wu M, Sun LV, Vamathevan J, Riegler M, Deboy R et al. (2004b) Phylogenomics of the Reproductive Parasite Wolbachia pipientis wMel: A Streamlined Genome Overrun by Mobile Genetic Elements. PLoS Biology 2(3): e69.

Xi Z, Dean JL, Khoo C, Dobson SL (2005) Generation of a novel Wolbachia infection in Aedes albopictus (Asian tiger mosquito) via embryonic microinjection. Insect Biochem Mol Biol 35:903-910

Yong E (2016) I Contain Multitudes: The microbes within us a grander view of life. Ed. Penguin Random House, New York USA

Zchori-Fein E, Perlman SJ, Kelly SE, Katzir N, Hunter MS (2004). Characterization of a ‘Bacteroidetes’ symbiont inEncarsia wasps (Hymenoptera: Aphelinidae): proposal of ‘Candidatus Cardinium hertigii’. Int J Syst Evol Microbiol 54: 961–968.

Zhukova M, Voronin D, Kiseleva EV (2008) High temperature initiates changes in Wolbachia ultrastructure in ovaries and early embryos of Drosophila melanogasterCell and Tissue Biology 2:546-556.

Aliments fermentats: consens recent sobre aquest concepte

5 març 2021

Click here for the English version: Fermented foods: consensus statement and reviewing them

El terme “aliments fermentats” ha estat molt utilitzat però fins ara no ha tingut una definició clara, hi ha incoherències relacionades amb l’ús del terme “fermentat” i a vegades s’utilitza incloent productes més o menys relacionats, com els probiòtics. Tot i que aquests aliments s’han consumit durant milers d’anys, darrerament reben una atenció creixent entre biòlegs, nutricionistes, altres científics i consumidors. 

Per tal de desenvolupar-ne una definició i descriure el paper dels aliments fermentats en la dieta humana, l’Associació Científica Internacional de Probiòtics i Prebiòtics (ISAPPva convocar el setembre de 2019 a un grup d’experts per fer-ho de forma consensuada. La ISAPP és una organització sense ànim de lucre, dirigida per científics i acadèmics, i encara que és finançada per empreses, les seves activitats no estan estipulades per la indústria. La seva missió és proporcionar informació objectiva i científica sobre probiòtics, prebiòtics i altres temes relacionats amb la nutrició i la salut.

Figura 1. Portal d’internet de l’Associació Científica Internacional de Probiòtics i Prebiòtics (ISAPP)

Aquests experts del ISAPP han estat un total de 13, procedents dels USA, Irlanda, Canadà, Bèlgica i Corea S., la majoria de centres universitaris i alguns d’empreses, i les seves conclusions han estat publicades recentment (Marco et al 2021).

Una de les principals conclusions del consens al que han arribat és la mateixa definició: aliments i begudes fermentats són els elaborats mitjançant el creixement microbià desitjatel qual comporta conversions enzimàtiques dels components dels aliments. En aquest treball, a banda de repassar quins són, també defineixen la distinció entre aliments fermentats i probiòtics, tracten el coneixement actual sobre seguretat, riscos i beneficis d’aquests aliments, i finalment en revisen la regulació i la possibilitat d’incloure’ls a les directrius dietètiques dels diferents països.

Què són els aliments fermentats ?

Els humans van aprendre fa alguns milers d’anys a consumir i elaborar aliments fermentats, probablement en paral·lel al desenvolupament de l’agricultura i la ramaderia. Vegeu per exemple el meu article sobre formatges i llets fermentades fets fa 7000 anys.

El consum d’aliments fermentats es va estendre i promoure des dels inicis a totes les civilitzacions sobretot perquè és una de les maneres més efectives de conservar aliments, degut a la formació de compostos que inhibeixen altres microbis perjudicials i/o patògens. Entre aquests compostos produïts pels microorganismes que fan la fermentació destaquen els àcids orgànics (com el làctic o l’acètic), l’etanol o les bacteriocines. Només cal recordar per un costat tots els productes lactis derivats de la llet que es conserven més temps que la llet gràcies a l’àcid làctic produït pels bacteris dels formatges, iogurts, etc. I per un altre costat, el consum de cerveses o vins com una bona alternativa més higiènica en llocs i èpoques on no es disposava d’aigua corrent no contaminada. La major perdurabilitat dels aliments fermentats encara té molta importància avui dia en regions pobres del món on no hi ha prou seguretat alimentària o on no hi ha gaire accés a l’electricitat, la refrigeració o l’aigua neta.

Altres mètodes de conservar aliments són la disminució de l’activitat aquosa (aw) mitjançant l’addició de sal o sucre o l’assecat, l’addició de compostos inhibidors (per ex. espècies o el fumat), fer el buit, i els tractaments tèrmics (fred o calor), entre altres.

L’altre motiu del consum d’aliments fermentats és l’aparició de noves qualitats organolèptiques, de gustos, olors o textures agradables i diferents, degut a les transformacions bioquímiques dels microorganismes en la composició de l’aliment. 

Els aliments fermentats són una part important de la dieta humana, fins i tot en regions desenvolupades on la seguretat alimentària i la conservació dels aliments estan ben controlades. S’ha estimat que actualment es produeixen i consumeixen globalment més de 5000 varietats d’aliments (i begudes) fermentats (Tamang et al 2016).

Així doncs, en l’esmentada definició de consens de l’ISAPP queda ben clar que els aliments fermentats són aquells elaborats de forma volguda pels humans on cal l’activitat dels microorganismes i on aquests duen a terme una sèrie de reaccions enzimàtiques dels components de l’aliment.

Encara que els enzims endògens o exògens, procedents de plantes, animals o altres fonts, també poden estar presents en aquests aliments, aquesta activitat no és suficient per ser considerat com aliment fermentat, ja que cal l’activitat microbiana.

D’altra banda, la principal diferència amb els aliments deteriorats per microorganismes és que aquests aliments ho són de manera no volguda i els fermentats ho són deliberadament i controladament per generar-ne qualitats desitjables.

També cal puntualitzar que als aliments fermentats l’acció dels microorganismes no sempre és mitjançant el metabolisme de fermentació. Efectivament, des del punt de vista bioquímic, “fermentació” és un tipus de metabolisme on la font d’energia i tant el donador com l’acceptor d’electrons són compostos orgànics (sobretot carbohidrats), on els ATP es sintetitzen per fosforilació de substrat (per exemple a la glucòlisi) i no hi ha formació d’ATP per fosforilació oxidativa amb cadenes de transport d’electrons lligada a membranes, com seria el cas de la respiració (Figura 2). Molts aliments fermentats clàssics ho són per metabolisme fermentatiu com la fermentació làctica o l’alcohòlica, però també es consideren aliments fermentats alguns on els microorganismes estan fent respiració aeròbica, com els bacteris acètics del vinagre o les floridures d’alguns formatges. Per tant el terme “aliments fermentats” té una visió més ampla, independent del metabolisme, on només cal la intervenció activa i volguda de microorganismes.

Figura 2. Reaccions principals dels mecanismes bàsics de síntesi d’ATP: Fosforilació oxidativa per cadenes transportadores d’electrons (dalt) i Fosforilació a nivell de substrat (baix).

Quins són els aliments fermentats i els microorganismes implicats ?

En trobem una bona relació a nivell mundial al treball de Tamang et al (2016), amb els microorganismes que hi intervenen, resumits a la Taula 1. Naturalment aquest article no és una relació exhaustiva, ja que per exemple hi trobem a faltar la sobrassada balear, si bé apareix la “soppressata” siciliana, probablement relacionada en origen. Veiem alguns dels aliments fermentats més coneguts a la Figura 3.

Taula 1. Tipus d’aliments fermentats i els microorganismes implicats (resumit de Tamang et al (2016)

TipusProductesPaïsosMicroorganismes
Llets fermentades i derivatsIogurts, formatges, sèrum de mantega (buttermilk), quefir, kumisleben, etc. Són de vaca i també de molts altres mamífers, com ovella, cabra, euga, camella, iac i búfalaTot el mónBacteris làctics
Alguns bifidobacteris
Alguns llevats
Floridures (Penicillium)
Productes vegetals (fruits, talls, bulbs, fulles, arrels, llegums) fermentatsOlives, col àcida (sauerkraut), kimchi, molt diversos confitats de raves, albergínies, cebetes, pastanagues, fermentats de la mandioca, productes de la soja (salsa de soja, miso, nattotempeh).
Vins (veure a baix)
Tot el mónBacteris làctics
Bacillus i altres firmicutes
Llevats
Algunes floridures (Rhizopus)
Altres fermentats derivats de vegetalsVinagre, té fermentat com la kombutxa, i cacau fermentat per fer xocolataTot el mónBacteris acètics
Llevats
Carns fermentadesEmbotits com xoriço, peperoni, salsitxes, sobrassadaTot el món, sobretot EuropaBacteris làctics
Altres firmicutes
Alguns llevats 
Peix i salses de peix fermentatMolt diversos, ex. nuroc mam, nam pla
Garum
Àsia orientalAntiga RomaBacteris làctics
Altres firmicutes
Altres bacteris
Begudes alcohòliques de cereals produïdes amb cultius amilolítics fúngicsSakeJapóAspergillus oryzae
Llevats
Begudes alcohòliques de cereals produïdes amb saliva humanaTxitxa (chicha)SudamèricaSaliva
Llevats
Bacteris làctics i altres
Begudes alcohòliques de cereals (ordi, blat, etc) amb maltatgeCervesesTot el mónLlevats
Alguns bacteris làctics
Begudes alcohòliques de parts de plantesPulque de l’agaveMèxicBacteris làctics
Zymomonas
Llevats
Begudes alcohòliques de fruitesVins de vinyaTotes les regions de clima temperatLlevats
Oenococcus (ferm. malolàctica)
Begudes alcohòliques de la melhidromel
tej
Sobretot món antic
Etiopia
Llevats
Bacteris làctics

Com veiem a la Taula 1, els principals microorganismes de molts aliments fermentats des de les llets a carns i vegetals i altres, són els bacteris làctics. Són bacteris grampositius del fílum Firmicutes (amb baix G+C al DNA), no formadors d’espores, anaerobis aerotolerants, i considerats com a segurs. Altres bacteris responsables d’alguns aliments fermentats són els Bacillus (Firmicutes esporulats), altres Firmicutes com Staphylococcus, bacteris del fílum Actinobacteris (grampositius amb alt G+C al DNA) com BifidobacteriumPropionibacterium i Brevibacterium. Dins els pocs bacteris gramnegatius que hi trobem, veiem que destaquen els acètics (del fílum Alfaproteobacteris) i també cal esmentar a Zymomonas, del mateix fílum. Podeu veure la ubicació filogenètica de tots aquests bacteris dins el meu post “Bacteris: 21 fílums principals, amb 147 gèneres importants“.

A la mateixa Taula 1 veiem que a banda dels bacteris, sobretot els làctics, els altres microorganismes més importants són els llevats, sobretot Saccharomyces, fongs ascomicets unicel·lulars. Altres fongs agents actius en aliments fermentats són sobretot alguns dels filamentosos, com els també ascomicets Penicillium i Aspergillus, i el zigomicet Rhizopus.

Figura 3. Diversos aliments fermentats: sobrassada, formatges, formatge blau, iogurt, olives, salsa de soja, cervesa i vi.

Microorganismes vius o morts als aliments fermentats ?

Els microorganismes que han intervingut activament en l’elaboració dels aliments fermentats poden estar presents i viables, o sigui vius, en alguns d’aquests i en canvi en altres són absents perquè se’ls ha separat de l’aliment o aquest ha tingut un tractament, normalment tèrmic, que els ha eliminat (Marco et al 2021).

Entre els aliments fermentats que contenen microorganismes vius podem esmentar el iogurt, quefir i altres llets fermentades, la majoria de formatges, miso, natto i tempeh, molts dels productes vegetals fermentats que no se’ls ha tractat tèrmicament com les olives, molts dels embotits, la kombutxa, i algunes cerveses.

Els aliments fermentats on s’han eliminat o apartat els microorganismes són per ex. el pa, els productes vegetals fermentats tractats tèrmicament, la salsa de soja, el vinagre, els vins, la majoria de cerveses, i les faves de cafè i de cacau un cop torrefactes.

En molts aliments fermentats sense inocular, o sigui amb la microbiota espontània pròpia, hi ha més d’un microorganisme responsable dels canvis que es duen a terme des de l’aliment original al fermentat. Sovint hi ha una successió de tipus de microorganismes, en funció de la composició de l’aliment i de les condicions ambientals a les que és sotmès: sal, temperatura, sequedat, etc. Per exemple, a la fermentació de les olives de taula primer predominen llevats i altres bacteris, i finalment s’acaben imposant els bacteris làctics.

Diferències respecte als probiòtics

Encara que a vegades els aliments fermentats són etiquetats o nomenats com “probiòtics” o que “contenen probiòtics”, cal deixar clar que no és el mateix i ni molt menys és així en la majoria dels casos. El terme probiòtic només és correcte utilitzar-lo quan s’ha demostrat algun efecte beneficiós per a la salut del consumidor del producte, i que aquest efecte és degut a un microorganisme viu present i ben caracteritzat. Aquest benefici sobre la salut és més enllà dels beneficis nutritius de la matriu de l’aliment que el conté. Per això, els termes “aliment fermentat” i “probiòtic” no poder ser utilitzats un per l’altre.

En el cas d’aliments fermentats que poden contenir algun microorganisme probiòtic, amb efectes demostrats sobre la salut, només hauria de ser etiquetat amb “conté probiòtics” en el cas que el microorganisme probiòtic estigués ben caracteritzat a nivell de soca i que estigués en quantitats significatives al llarg de la vida útil de l’aliment.

Els aliments fermentats i la seguretat alimentària

Els aliments fermentats augmenten la seguretat de l’aliment per al consumidor, en el sentit que hi és més difícil el creixement d’organismes perjudicials o patògens que respecte als aliments originals abans de fermentar. En efecte, sovint contenen quantitats notables d’àcids orgànics, com àcid làctic produït pels bacteris làctics o l’acètic fet pels bacteris homònims. Molts d’aquests productes al mateix temps tenen baixa activitat d’aigua, i contenen sal i altres antimicrobians, amb la qual cosa són coneguts com a segurs des de fa molt temps (Adams & Mitchell 2002). De manera semblant, les begudes que continguin >4% etanol o pH < 4.5 també són considerades microbiològicament segures. 

A més, molts bacteris làctics, siguin autòctons o inoculats, produeixen bacteriocines que inhibeixen altres bacteris indesitjables, com Listeria o Clostridium.

Alguns aliments fermentats també incrementen la seguretat en eliminar compostos tòxics o antinutritius dels aliments crus, com és el cas de moltes fermentacions de cereals, llegums i tubercles. Per exemple, la mandioca conté glicòsids cianogènics que són eliminats a la fermentació per Lactobacillus plantarum (Lei et al 1999). També, a la fermentació de la massa mare (sourdough) alguns bacteris làctics faciliten la degradació mitjançant l’enzim fitasa (una fosfatasa) de l’àcid fític present als cereals, que és un quelant de cations divalents (Ca, Mg, Fe, Zn) i per tant disminueix la seva adsorció (López et al 2001).

A més, es pot afirmar que, amb molt poques excepcions, els microorganismes protagonistes dels aliments fermentats, bàsicament bacteris làctics, llevats i fongs filamentosos, no són patògens ni produeixen compostos tòxics o perjudicials. De fet, molts d’ells, com els mateixos bacteris làctics, però també força altres (com alguns Bacillus, Figura 4) són considerats GRAS per la FDA dels USA (generalment reconeguts com a segurs, en anglès) o QPS per la EFSA europea (presumpció qualificada de seguretat, en anglès). 

Figura 4. Un dels últims ingredients declarats GRAS per la FDA dels USA és justament un Bacillus subtilis que també pot ser utilitzat en aliments fermentats. Tret de US FDA Gras Notices.

Tanmateix, cal sempre tenir molta cura, com en qualsevol tipus d’aliment, cal assegurar-se que els ingredients són frescos i segurs, evitar-ne qualsevol alteració, i tenir uns bons controls al llarg del procés d’elaboració i en el producte acabat, comprovant que no hi hagi cap contaminació dels habituals patògens alimentaris.

Alguns aliments fermentats contenen compostos que poden comportar riscos de seguretat alimentària si son consumits en excés. Aquest és el cas de les begudes alcohòliques, que cal prendre amb molta moderació pels efectes de l’etanol, i cal evitar el seu consum en persones de risc. Per un motiu diferent i no relacionat amb els microorganismes, també cal no consumir en excés els aliments fermentats que contenen sal, com la salsa de soja o el kimchi.

Uns dels pocs compostos produïts pels bacteris làctics que cal controlar són les amines biògenes, que es poden trobar en petites quantitats en aliments fermentats com formatges, embotits, alguns vegetals i el vi, i que poden produir diversos problemes de salut i sobretot migranyes. Cal minimitzar-ne la seva producció controlant els possibles productors i inoculant soques no productores.

Les micotoxines com aflatoxines, ocratoxines i moltes altres, són la principal preocupació dels aliments fermentats amb fongs filamentosos com Aspergillus i Penicillium dels fermentats de soja, formatges i altres (Sivamaruthi et al 2019). Tanmateix, en la majoria d’aquests productes s’utilitzen soques seleccionades, bé per domesticació al llarg de segles o bé més recentment per selecció artificial, que no produeixen toxines.

Beneficis del consum d’aliments fermentats sobre la salut nutritiva humana

Més enllà dels motius de preservació d’aliments i les qualitats organolèptiques, hi ha certes evidències epidemiològiques que suggereixen que les dietes riques en aliments fermentats poden reduir el risc de malalties i augmentar la longevitat, la salut i qualitat de vida. Però aquestes dietes, com pot ser la dieta mediterrània, inclouen altres aliments a banda dels fermentats, i per tant no és segur que els efectes positius siguin deguts als aliments fermentats. A més, amb l’excepció del iogurt i altres llets fermentades, s’han fet pocs estudis clínics ben dissenyats i controlats sobre els possibles beneficis dels aliments fermentats sobre la salut en quant a malalties concretes (Marco et al 2021).

Tanmateix, els efectes indirectes sobre la salut dels aliments fermentats són ben patents quan es consideren els aspectes nutritius. L’activitat microbiana dona lloc a l’enriquiment i/o eliminació de diversos compostos que afecten i milloren la composició nutritiva del producte final.

En primer lloc, els microorganismes redueixen el contingut de sucres altament calòrics, monosacàrids i disacàrids, presents a les llets, carns i vegetals. Això permet reduir l’índex glucèmic i disminuir la intolerància de l’aliment, com la lactosa dels lactis, els fructans del blat, o la rafinosa i estaquiosa dels llegums. Amb la fermentació s’hidrolitzen polisacàrids, proteïnes i greixos, la qual cosa facilita la digestió, i com s’ha comentat, s’eliminen diversos compostos tòxics o antinutritius com l’àcid fític. 

En el cas dels aliments que contenen polifenols, s’ha comprovat que els lactobacils augmenten la biodisponibilitat de flavonoides, tanins i altres compostos bioactius. És ben coneguda la biosíntesi de vitamines, derivats d’aminoàcids, àcids orgànics com l’esmentat àcid làctic, pèptids i cofactors per part dels microbis que fermenten els aliments (Melini et al 2019).

S’ha vist que molts dels microorganismes vius dels aliments fermentats poden sobreviure el trànsit gàstric i arribar al còlon, ja que per exemple molts bacteris làctics són tolerants al pH àcid i les sals biliars i s’ha comprovat que poden arribar a mantenir-se transitòriament al còlon (Elli et al 2006). Encara que és improbable que aquests microorganismes sobrevisquin gaire temps, s’ha vist que sí que poden ser metabòlicament actius al tracte gastrointestinal, i que aquesta colonització a curt termini seria suficient per produir compostos bioactius, inhibir patògens i influir positivament en el sistema immunitari. Aquests efectes són incrementats si hi ha un consum diari i repetit de l’aliment fermentat.

També s’ha vist que els aliments fermentats, i els microorganismes que contenen, influeixen en la composició de la microbiota intestinal pròpia (Taylor et al 2020). Vegeu també González et al 2019 i Le Roy et al 2020. Un altre factor positiu addicional en el cas d’aliments fermentats vegetals és que força components d’aquests són prebiòtics i per tant afavoreixen la microbiota intestinal.

A més, cal tenir en compte la importància del que mengem, i en aquest cas dels aliments fermentats, en relació al sistema immune, ja que en els humans i altres mamífers el 70% d’aquest sistema es troba al tracte gastrointestinal i els aliments són la principal font de contacte entre els antígens externs i el nostre cos. Això és particularment important en els nadons i la colonització microbiana inicial del digestiu. La ingesta d’aliments fermentats durant els primers anys de la infància s’ha associat amb un risc reduït d’atòpia (predisposició genètica a les al·lèrgies) infantil (Alm et al 1999). Per a qualsevol edat, sembla que els microorganismes dels aliments fermentats i els seus components, com per ex. glucopèptid, proteïnes de superfície, exopolisacàrids, lipoteïcoic, o el D-fenil-làctic dels bacteris làctics (Peters et al 2019), són beneficiosos per al sistema immune, sobretot més demostrat en les llets fermentades (Bourrie et al 2016; Foligne et al 2016).

A la Figura 5 veiem un esquema dels mecanismes bàsics dels possibles beneficis dels aliments fermentats.

Figura 5. Mecanismes bàsics dels beneficis dels aliments fermentats per a la salut, sobretot del punt de vista nutritiu, amb les transformacions dels components dels aliments en substàcies bioactives. SCFA són els àcids grassos de cadena curta. Tret de Marco et al 2021.

Finalment, per acabar només comentar que malgrat que els aliments fermentats són consumits arreu del món i que compten aproximadament per 1/3 de la dieta humana, normalment són absents com a aliments recomanats en les guies de dietes (Marco et al 2021). També és una llàstima que la majoria d’informació que surt als mitjans o a les revistes de divulgació o a les xarxes socials sobre aquest tipus d’aliment és exagerat o erroni, sovint fent-los sinònims dels probiòtics.

Bibliografia

Adams M, Mitchell R (2002) Fermentation and pathogen control: a risk assessment approach. Int. J. Food Microbiol. 79, 75–83

Alm J S, Swartz J, Lilja G, Scheynius A, Pershagen, G (1999) Atopy in children of families with an anthroposophic lifestyle. Lancet 353, 1485–1488

Bourrie B C, Willing B P, Cotter P D (2016) The microbiota and health promoting characteristics of the fermented beverage kefir. Front Microbiol 7, 647

Elli M et al (2006) Survival of yogurt bacteria in the human gut. Appl Environ Microbiol 72, 5113–5117

Foligne B et al (2016) Immunomodulation properties of multi-species fermented milks. Food Microbiol 53, 60–69

González S et al (2019) Fermented dairy foods: impact on intestinal microbiota and health-linked biomarkers. Front Microbiol 10, 1046.

Iraporda C. et al (2015) Lactate and short chain fatty acids produced by microbial fermentation downregulate proinflammatory responses in intestinal epithelial cells and myeloid cells. Immunobiology 220, 1161–1169

ISAPP, The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics: https://isappscience.org

Lei V, Amoa-Awua WK, Brimer L (1999) Degradation of cyanogenic glycosides by Lactobacillus plantarum strains from spontaneous cassava fermentation and other microorganisms. Int. J. Food Microbiol. 53, 169–184

Le Roy C I et al (2020) Red wine consumption associated with increased gut microbiota α-diversity in 3 independent cohorts. Gastroenterology 158, 270–272

López HW et al (2001) Prolonged fermentation of whole wheat sourdough reduces phytate level and increases soluble magnesium. J. Agric. Food Chem. 49, 2657–2662

Marco ML, Sanders ME, Gänzle M et al (2021) The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on fermented foods. Nature Rev Gastroenterol Hepatol. https://www.nature.com/articles/s41575-020-00390-5

Melini F, Melini V, Luziatelli F, Ficca AG, Ruzzi M (2019) Health-promoting components in fermented foods: an up-to-date systematic review. Nutrients 11, 1189

Peters A et al. (2019) Metabolites of lactic acid bacteria present in fermented foods are highly potent agonists of human hydroxycarboxylic acid receptor 3. PLoS Genet. 15, e1008145

Sivamaruthi BS, Kesika P, Chaiyasut C (2019) Toxins in fermented foods: prevalence and preventions – A mini review. Toxins 11, 4

Tamang JP, Watanabe K, Holzapfel WH (2016) Review: Diversity of microorganisms in global fermented foods and beverages. Front Microbiol 7, 377

Tarvainen M, Fabritius M, Yang B (2019) Determination of vitamin K composition of fermented food. Food Chem 275, 515–522

Taylor B C et al (2020) Consumption of fermented foods is associated with systematic differences in the gut microbiome and metabolome. mSystems 5, e00901-19

BACTERIS: 21 fílums principals, amb 147 gèneres importants

Click here for the English version: “BACTERIA, 21 main phyla, with 147 important genera”

7 abril 2020

Si voleu anar directament a l’arbre filogenètic simplificat (Figura 4) que proposo més a baix, cliqueu aquí.  Ídem per a la relació dels 21 fílums.  Ídem per al llistat alfabètic de gèneres.

Propòsit d’aquest article

Més d’un cop alguns alumnes m’han comentat que quan a classe o en fer algun treball bibliogràfic, els apareix un nom d’un gènere microbià que no els és gaire familiar, no tenen clar on trobar quin tipus de microorganisme és i/o quines són les seves característiques bàsiques, a banda de recórrer a la Wikipedia o Viquipèdia. Encara que n’hi ha abundant bibliografia, i per a consultes només d’ubicació filogenètica d’un determinat gènere jo faig anar l’apartat Taxonomy del National Center for Biotechnology Information (NCBI), a mi mateix em passa que sovint trobo a faltar una font d’informació que sigui fàcil i ràpida de consultar, i que no caldria que fos massa exhaustiva.

Aquest és el propòsit d’aquest article del meu blog: fer un resum dels principals fílums bacterians, amb la relació dels gèneres més importants. Aquests són els que semblen més rellevants, sobretot per aspectes beneficiosos, a nivell ambiental o en aliments i altres aplicacions industrials, també alguns pels seus metabolismes característics, i també alguns dels patògens més coneguts.

Per no fer-ho massa exhaustiu, de moment aquí em limito als bacteris, i per tant no es consideren ni arqueus, ni microorganismes eucariotes, ni virus.

Taxonomia i filogènia dels Bacteris

La taxonomia és la ciència d’anomenar, definir i classificar els grups de sers vius en base a les característiques que comparteixen. Aquests grups són els tàxons, que es distribueixen en categories jerarquitzades, que són (variables segons els organismes): Domini, Regne, Fílum (SCB 2009-210), Classe, Ordre, Família, Gènere i Espècie. Com sabeu, el primer sistema taxonòmic fou desenvolupat al segle 18 per Carl von Linné, que establí els fonaments de la nomenclatura binomial (Gènere + espècie).

Després de Linné, la taxonomia es desenvolupà gràcies sobretot a Ernst Haeckel (segle 19) i Robert Whittaker, que va proposar els 5 regnes: els 4 eucariotes (Animals, Plantes, Fongs i Protistes) més el dels Monera, els procariotes, bacteris bàsicament (Whittaker 1969).

Encara que es podrien establir classificacions taxonòmiques només en base a les característiques fenotípiques (morfologia, estructures, metabolismes, etc.), actualment la taxonomia s’elabora veient les relacions de parentesc entre els organismes i la seva història evolutiva, o sigui la filogènia, realitzant arbres filogenètics, que es basen en les semblances genètiques, que expliquen l’evolució dels organismes, tant els actuals com els extingits.

Històricament, abans dels coneixements moleculars, la classificació o taxonomia dels bacteris va presentar moltes dificultats i errors, donades les seves dimensions microscòpiques i la manca de trets morfològics fàcils de distingir, al contrari de plantes i animals. La classificació es basava només en la forma, estructura de la paret cel·lular (Gram) i els metabolismes, però no es podia realitzar un arbre filogenètic.

Això va canviar de la mà de Carl Richard Woese (1987), iniciador de la revolució filogenètica molecular, que va classificar tots els organismes (no només els bacteris), en base a les seqüències del RNA ribosòmic, definint per primer cop els arqueobacteris (ara Archaea o arqueus), i per tant introduint el concepte dels tres dominis (Figura 1).

Fig 1 woese fig4

Figura 1. Arbre filogenètic universal dels 3 dominis (Archaea o Arqueus (SCB 2009), Bacteris i Eucariotes), determinat comparant les seqüències dels rRNA, on les llargades de les línies són proporcionals a les distàncies calculades per alineament dels rRNA (Woese 1987).

Limitant-nos als Bacteris, en base al 16S rRNA Carl Woese n’establí 11 divisions (Figura 2).

Fig 2 woese fig11

Figura 2. Arbre filogenètic dels bacteris determinat comparant les seqüències dels rRNA 16S, on les llargades de les línies són proporcionals a les distàncies calculades per alineament dels 16S i el punt d’origen és una seqüència consens dels arqueus (Woese 1987).

Després de Woese, a nivell de bacteris aquest arbre filogenètic s’ha anat modificant, per una banda incorporant-hi nombrosos grups de bacteris descoberts, sobretot termòfils, quimiolitòtrofs i altres d’ambients extrems. I d’altra banda, el desenvolupament de les tècniques no dependents de cultiu ha permès detectar nombrosos bacteris sense haver d’aïllar-los. Entre aquestes tècniques on es pot analitzar directament el DNA de mostres ambientals, cal senyalar els mètodes de metagenòmica, que amplifiquen i seqüencien fragments dels gens (16S o altres) de tots els bacteris presents i es tracten les dades amb programes bioinformàtics per comparar uns amb altres i deduir les possibles noves espècies.

Coetàniament a Woese, la classificació de tots els sers vius va ser millorada per Thomas Cavalier-Smith, sobretot a nivell dels protistes (Cavalier-Smith 1993). Alguns dels arbres recents més complets de bacteris s’han basat en comparar alguns gens més conservats, com Lang et al (2016), que proposa diferents models de superarbres de 3000 procariotes seqüenciats en base a 24 gens.

En base a tot això, un dels arbres filogenètics més recents és el proposat per Hug et al. (2016), que ha estat elaborat en base a les seqüències publicades, incloses les dades genòmiques de 1000 organismes poc coneguts i no aïllats en cultius. Aquest “arbre de la vida” amb els 3 dominis de bacteris, arqueus i eucariotes revela una predominança de la diversificació bacteriana i subratlla la importància d’organismes dels quals no es tenen representants aïllats (Figura 3). Per a aquest arbre foren utilitzats 30437 genomes d’espècies dels 3 dominis disponibles a les bases de dades del NCBI pel setembre 2015. Actualment (març 2020) ja consten 50159 espècies seqüenciades al NCBI: 1724 arqueus, 26467 bacteris, 4915 eucariotes i 17053 virus.

Fig 3 Hug-et-al-figure-1

Figura 3. Visió actual de l’arbre de la vida, englobant la diversitat total de genomes seqüenciats, amb 92 fílums bacterians, 26 d’arqueus i els 5 supergrups eucariotes (Hug et al. 2016)

En anar comparant les seqüències genètiques de molts bacteris s’ha anat veient la dificultat d’elaboració dels arbres filogenètics evolutius amb branques com sempre els representem, perquè la transferència genètica horitzontal (TGH) és un fenomen habitual als bacteris. Mitjançant els mecanismes de transformació, transducció vírica i conjugació, els bacteris comparteixen molts gens en la seva evolució, i desdibuixen les branques, de tal manera que la representació hauria de ser més semblant a una xarxa. Per tant, cal prendre’s les representacions dels fílums en branques evolutives com una aproximació relativa.

El recurs bibliogràfic més important per a la determinació, identificació i sistemàtica de tots els organismes procariotes, o sigui Bacteris i Arqueus, ha estat sens dubte el Manual Bergey. Iniciat el 1923 per David H. Bergey, lògicament ha tingut successives actualitzacions i ampliacions, mantenint la importància de ser el Manual de referència per a la descripció de totes les característiques dels procariotes. La darrera versió publicada en paper del Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology comprèn 5 volums en 7 llibres (2001-2012). Més recentment s’ha publicat una versió online (Whitman, 2015).

Un altre recurs valuós és la base de dades LPSN (List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature) (Parte 2014), que recull el llistat online de tots els noms dels procariotes que han estat validats per publicació al International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, sota les regles del Codi Internacional de Nomenclatura de Bacteris. Actualment, a la LPSN hi han llistats 15974 tàxons, distribuïts en 41 fílums bacterians més 5 d’arqueus. A més, la LPSN inclou la classificació actualitzada dels procariotes, la seva nomenclatura, i de les col·leccions de cultiu.

Tanmateix, tant el Bergey com el LPSN són massa exhaustius i poc pràctics per fer una cerca ràpida d’algun gènere bacterià concret, o tenir una visió ràpida global de les relacions filogenètiques entre diversos fílums.

La meva proposta simplificada de l’arbre filogenètic dels Bacteris

En base a l’arbre comentat de Hug et al (2016) (Figura 3), limitant-nos als bacteris, he gosat fer-ne una simplificació, prescindint dels fílums no gaire coneguts o de les nombroses branques sense representants aïllats en cultiu. Amb això, queden els 21 fílums principals que veiem a la Figura 4.

Com veiem a la Figura 4, Terrabacteria i Hydrobacteria són dues categories taxonòmiques superiors que inclouen la gran majoria de fílums bacterians, el 99% de bacteris. Els Terrabacteria haurien evolucionat adquirint adaptacions de resistència a condicions ambientals terrestres com dessecació, radiació UV, alta salinitat, incloent una paret cel·lular característica (grampositius) i altres d’ells haurien desenvolupat la fotosíntesi oxigènica (els cianobacteris). Els Hydrobacteria serien la resta de bacteris, la majoria de gramnegatius, que haurien evolucionat en ambients aquosos o humits, i inclouen els 2 superfílums FCB (FibrobacterChlorobiBacteroides) i PVC (PlanctomycesVerrucomicrobiaChlamydia), i el gran grup de Proteobacteris. Els supertàxons Terrobacteria i Hydrobacteria haurien divergit fa 3000 milions d’anys, quan els Terrabacteria haurien començat a colonitzar els continents.

A la mateixa Figura 4 he senyalat els protomitocondris i protocloroplasts, que van sorgir dels fílums Alfaproteobacteria i Cyanobacteria respectivament, fa uns 1500-2000 milions d’anys.

Fig 4 arbre bacteris

Figura 4. Visió actual simplificada de l’arbre filogenètic dels bacteris amb 21 principals fílums, elaborat en base al conjunt de seqüències del DNA de 16 proteïnes ribosomals (modificada de Hug et al 2016). LUCA: últim avantpassat comú universal (Last Universal Common Ancestor).

RELACIÓ dels 21 FÍLUMS principals dels bacteris: característiques i gèneres més importants

A continuació descric mínimament els 21 fílums (Figura 4), seguint l’arbre filogenètic de dreta a esquerra. Per als tàxons (classes, ordres) més rellevants que comento dins d’algun dels fílums, he seguit les categories tal com estan al NCBI (Taxonomy). He resumit les descripcions en base a les fonts bàsiques d’informació de Microbiologia, com el Brock (Madigan et al. 2017), Lengeler et al. (1999), Tortora et al. (2018), o el Prescott (Willey et al. 2017), i dins dels recursos més habituals d’internet, a més de la Wikipedia, també cal senyalar el MicrobeWiki.

1. Aquificae

Com Aquifex o Hydrogenobacter, és un fílum proper a Thermotogae, i ambdós són els bacteris més propers als arqueus. Són bacils gramnegatius, hipertermòfils, quimiolitòtrofs aerobis, oxiden H2 produint H2O,  i es troben en aigües calentes o volcàniques.

2. Thermotogae

Com Thermotoga, és un fílum proper a Aquificae. Són hipertermòfils, anaerobis fermentatius, bacils gramnegatius, amb un embolcall tipus “toga”, i es troben en aigües calentes i xemeneies hidrotermals.

3. Deinococcus – Thermus

És un fílum de bacteris molt resistents a ambients extrems, per tant extremòfils, que inclou 2 grups dels quals els gèneres més coneguts són els que donen nom al fílum:

Deinococcus són cocs grampositius amb paret gruixuda, amb segona membrana, resistents a raigs gamma i UV, de color rosa pel pigment carotenoide deinoxantina.

Thermus són bacils gramnegatius hipertermòfils, es troben en fonts termals, i també al compostatge. Th. aquaticus fou aïllat per Thomas D. Brock (el del llibre) i H. Freeze, de les aigües termals amb guèisers de Yellowstone, i és molt conegut per la DNA-polimerasa Taq, molt utilitzada a les PCR perquè no es desnaturalitza a 95ºC. Th. thermophilus, també amb DNA-polimerases termostables, és un model per a la manipulació genètica.

4. Cyanobacteria

Els cianobacteris abans eren coneguts com “algues verd-blaves” o cianofícies, perquè són filamentosos i fan fotosíntesi, com les algues i les plantes. Com aquestes, fan fotofosforilació no cíclica, amb 2 fotosistemes i clorofil·la. De fet, són l’origen evolutiu dels proto-cloroplasts, van “inventar” la fotosíntesi oxigènica, són els únics bacteris que la fan actualment, i van generar l’atmosfera tal com la coneixem fa uns 2700 milions d’anys. Els estromatòlits fòssils formats per biopel·lícules de cianobacteris són els indicis més antics de vida a la Terra. Són filaments gramnegatius, amb membranes internes. Alguns fixen N2 en cèl·lules especialitzades (heterocists) més gruixudes que contenen la nitrogenasa. Són a molt diversos hàbitats, tant terrestres com aquàtics, alguns són simbionts de plantes, altres fan cianotoxines, i són els principals causant de blooms en aigües eutròfiques. Alguns són menjar, font de nutrients (Spirulina). Amb metabolisme secundari molt actiu, també són font interessant d’antivirals, antibiòtics i antitumorals. Altres gèneres són: Anabaena, Chroococcus, Nostoc, Oscillatoria, Pleurocapsa Synechococcus.

5. Firmicutes

Són un gran fílum de grampositius, bacils o cocs, quimioheteròtrofs, amb baix contingut de G+C al DNA (la majoria amb <50%). Inclou sobretot 3 grans classes, Bacilli, Clostridia i Negativicutes:

Bacilli amb 2 ordres, Bacillales i Lactobacillales:

Bacillales, que són aerobis o facultatius, amb respiració aeròbica sobretot. Gèneres importants:

Bacillus, bacils formadors d’endòspores, ubics als ambients terrestres, on junt amb Paenibacillus afavoreixen els conreus vegetals (vegeu el meu post sobre l’agromicrobioma). L’esporulat més resistent és B. stearothermophilus, model dels càlculs d’esterilització tèrmica. Cal destacar-ne els patògens B. anthracis (àntrax maligne o carboncle) i B. cereus (intoxicacions alimentàries). Moltes espècies són d’interès industrial: producció d’enzims (com amilasa) o proteases (subtilisina de B. sutilis), antibiòtics peptídics, alguns són probiòtics d’aus (vegeu el meu post sobre Bacillus probiòtics), i B. thuringiensis és molt utilitzat com a bioinsecticida per les seves toxines Cry i els seus gens incorporats en plantes modificades genèticament Bt (cotó, moresc i altres).

Listeria, bacils anaerobis facultatius no formadors d’endòspores, sapròfits però també patògens oportunistes (L. monocytogenes) i resistents al fred, són la primera causa de mort entre les malalties de transmissió alimentària.

Staphylococcus, cocs anaerobis facultatius agrupats en forma de raïm, habituals comensals a la pell i mucoses membranoses. Alguns són patògens degut a la formació de coagulasa.

Lactobacillales: són els bacteris làctics (BL) o de l’àcid làctic. Són bacils o cocs, anaerobis aerotolerants, amb metabolisme fermentatiu, produint sobretot àcid làctic a partir de sucres. No esporulats, són presents en plantes en descomposició (sobretot Lactobacillus) i als productes lactis (sobretot Lactococcus, Lactobacillus i Streptococcus). Són molt importants industrialment, com a agents actius de molts aliments fermentats (derivats de llets, vegetals, carns, peixos, vins i cerveses, etc.), coneguts en conjunt com a productes làctics, on aquests bacteris contribueixen a conservació, per baixada del pH i producció de bacteriocines, i qualitats organolèptiques. Per això són globalment considerats com a GRAS (Generally Recognized as Safe). A més, també tenen un paper rellevant a la microbiota saludable animal i humana, tant al digestiu com a les superfícies mucoses. Per això alguns d’ells són dels probiòtics més usuals, sobretot Lactobacillus. D’altra banda, Oenococcus és el gènere exclusiu dels vins, on du a terme la fermentació malolàctica (aquí teniu un petit resum), una fermentació peculiar lligada a ATPasa. Altres gèneres importants de BL són: Enterococcus (alguns poden ser patògens i altres probiòtics), Leuconostoc, Pediococcus (present a cerveses, vegeu el meu post sobre BL de cerveses), Weissella, Carnobacterium, Aerococcus i Fructobacillus.

Clostridia

Són bacils anaerobis estrictes formadors d’endòspores. Són sapròfits, fermentant sobretot polisacàrids vegetals, i viuen sobretot als sòls. Alguns són patògens oportunistes freqüents al digestiu (Clostridium difficile) o sapròfits de teixits que poden causar gangrena (C. perfringens) i els pitjors produeixen algunes de les toxines més perilloses: C. tetani i C. botulinum. En canvi, són molt abundants a la microbiota intestinal saludable (vegeu el meu post) i per tant possibles probiòtics (Clostridium, Eubacterium, Coprococcus i Ruminococcus, productors dels beneficiosos butirat i propionat), i sobretot Faecalibacterium prausnitzii o Christensenella, associats a baix índex corporal i poc greix.

Encara que de la mateixa classe Clostridia i també anaerobis esporulats, el gènere Heliobacteria són fotoheteròtrofs anoxigènics (amb bacterioclorofil·la g, un fotosistema i fotofosforilació cíclica), no són grampositius i fixen N2.

Negativicutes

Són anaerobis esporulats, propers filogenèticament als Clostridia, però gramnegatius, ja que tenen una membrana externa semblant a la dels proteobacteris (possible transferència genètica horitzontal). Selenomonas té forma de mitja lluna, és mòbil, present al rumen dels remugants. Veillonella és un coc de l’intestí humà, beneficiós perquè fermenta lactosa donant acetat i propionat. Phascolarctobacterium i Megasphaera són bacils pleomòrfics que també produeixen aquests àcids grassos de cadena curta a l’intestí, i per tant, també beneficiosos.

6. Tenericutes

Fílum proper als Firmicutes, però no tenen paret cel·lular. Classe única: Mollicutes. Són molt petits de mida (0,2-0,3 µm), i de genoma (0,6 Mbp), perquè són paràsits intracel·lulars d’animals i plantes, sapròfits i/o patògens. En no tenir paret cel·lular, són resistents a molts antibiòtics. De forma variable, poden viure sense oxigen. Els Mycoplasma són patògens humans que poden causar pneumònia o infeccions de transmissió sexual.

7. Chloroflexi

Com Chloroflexus, també són anomenats bacteris verds no-sofre o clorobacteris, són filamentosos o lliscants, amb membranes internes (clorosomes). Són fotoheteròtrofs anoxigènics (amb bacterioclorofil·la cs, un fotosistema i fotofosforilació cíclica). Són gramnegatius però sense membrana externa. La classe Thermomicrobia inclou els que són termòfils (Thermomicrobium), alguns amb pigment rosa.

8. Actinobacteria

Són un altre gran fílum de grampositius, heteròtrofs, tant aerobis com anaerobis, amb alt contingut de G+C al DNA (la majoria amb >50%), de formes irregulars i alguns filamentosos. Són molt versàtils catabòlicament i ubics a ambients terrestres i aquàtics. Inclou aquests ordres principals:

Actinomycetales, com Actinomyces, són anaerobis facultatius, poden fer endòspores, són filamentosos però alguns bacils. Són uns dels microorganismes econòmicament més importants als sòls, tant agrícoles com forestals. Descomponen la matèria orgànica, juntament amb els fongs, als quals s’assemblen perquè formen micelis filamentosos.

Bifidobacteriales, anaerobis, fermenten carbohidrats, són bacils irregulars, sobretot bífides, ex. Bifidobacterium. Són importants a la microbiota intestinal de mamífers, als humans sobretot als infants, utilitzats com a probiòtics.

Corynebacteriales, aerobis, bacils més o menys irregulars, alguns en forma de porra i altres a vegades fan hifes. Abundants en diferents ambients terrestres, alguns són importants industrialment com a productors d’aminoàcids, com glutàmic i lisina (Corynebacterium glutamicum). Altres són patògens: C. diphtheriae, Mycobacterium tuberculosis (vegeu el meu post), M. leprae, i alguns oportunistes de baixa virulència com Nocardia.

Frankiales, filamentosos, com Frankia, viuen simbiòticament fixant N2 en nòduls a les arrels de molts tipus d’angiospermes.

Micrococcales, amb gèneres com: Micrococcus, cocs presents en aigües i sòls, sapròfits i oportunistes, útils per a biodegradació de contaminants, i alguns en productes càrnics, amb cists molt resistents (vegeu el meu post sobre persistència de microbis); Cellulomonas, bacils del sòl degradadors de cel·lulosa gràcies a glucanases; Arthrobacter (sinònim Siderocapsa) són bacils i cocs aerobis comuns al sòl, alguns per a producció de glutàmic i per a bioremediació, s’han descrit fins i tot alguns degradadors del polímer niló, i el seu DNA és dels més persistents al permafrost, més de 300.000 anys (vegeu el meu post ). Brevibacterium linens és ubic a la pell humana, produeix tioèsters típics de pudor de peus, i a més s’utilitza a formatges (Munster, Limburger, etc).

Propionibacteriales, com Propionibacterium, bacils anaerobis que sintetitzen propiònic a partir de sucres i també d’àcid làctic. També poden utilitzar el fumarat per una fermentació peculiar amb ATPasa. Presents a la microbiota intestinal i la pell d’animals, alguns són els causants de l’acne humana (reclassificats com Cutibacterium acnes) (vegeu també el meu post sobre bacteris de l’acne a la vinya). Altres són importants per a la producció de vitamina B12 i als productes lactis, sobretot formatges com els suïssos amb “ulls” (Emmental i altres).

Streptomycetales, amb l’important gènere Streptomyces, són els Actinobacteria més coneguts, amb més de 500 espècies. Aerobis, formen un complex miceli d’hifes ben desenvolupades i es dispersen amb espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs micelials, però procariotes. Abundants al sòl i vegetació en descomposició, produeixen geosmina i 2-metilisoborneol, que donen el característic olor “de terra”, compostos que atrauen invertebrats els quals ajuden als bacteris a dispersar les seves espores. Tenen un complex metabolisme secundari, i per això són molt importants industrialment: antibiòtics antibacterians (estreptomicina, neomicina, tetraciclina, etc.), antifúngics (nistatina), antiparasitaris, anticancerosos i també per a l’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

9. Fibrobacteres

Ja dins els Hydrobacteria (Figura 4), junt amb Chlorobi i Bacteroidetes són el superfílum FCB, abans anomenats com a fílum Sphingobacteria per Cavalier-Smith. Són bacils gramnegatius anaerobis estrictes. Inclouen uns dels principals bacteris cel·lulolítics del rumen dels remugants, com Fibrobacter. Degraden sobretot beta-glucans, produint formiat, acetat i succinat.

10a. Chlorobi

Del superfílum FCB, es consideren un sol fílum junt amb Bacteroidetes. Són sobretot els bacteris verds del sofre, bacils o cocs gramnegatius, anaerobis estrictes fotoautòtrofs que fan la fotosíntesi anoxigènica, amb bacterioclorofil·les situades en clorosomes i la membrana plasmàtica. Tenen un fotosistema, i utilitzen sulfurs com donador d’electrons. Capten CO2 pel cicle invers del cítric. Poden produir sulfats o acumular S elemental a l’exterior cel·lular. Chlorobium es troben als fons marins i dels llacs, i són abundants per ex. al Mar Negre.

10b. Bacteroidetes

També del superfílum FCB i mateix fílum que Chlorobi, són bacils gramnegatius (amb membrana externa) anaerobis estrictes, no esporulats, exclusius del tracte gastrointestinal d’animals, on són dels bacteris més abundants, sobretot Bacteroides i també Prevotella, i on metabolitzen carbohidrats (polisacàrids sobretot) i altres compostos com les sals biliars, produint àcids grassos de cadena curta, beneficiosos per a l’hoste (vegeu el meu post sobre Bacteroides). Tanmateix, alguns poden ser patògens si passen a òrgans fora del digestiu. Sembla que la ratio Prevotella/Bacteroides en humans és més alta en dietes altes en fibra i menor pes corporal. Flavobacterium és un Bacteroidetes conegut patogen de peixos.

11. Planctomycetes

Del superfílum PVC, són bacteris gramnegatius anaerobis particulars, ex. Planctomyces: ovoides amb un apèndix pseudo-tija acabada en una estructura adherent al substrat, amb invaginacions de la membrana que recorden les estructures cel·lulars eucariotes i paret cel·lular amb quasi gens de glicopèptid. Es reprodueixen per gemmació, generant formes flagel·lades lliures que acaben essent sèssils. Viuen en aigües, tant dolces com marines i salobres. Alguns com Brocardia contenen una estructura membranosa, anammoxosoma, on té lloc l’oxidació anaeròbica d’amoni (Anammox) amb nitrit, produint N2, metabolisme important per al cicle del N.

12a. Verrucomicrobia

També del superfílum PVC, i considerats del mateix fílum amb Chlamydiae, n’hi ha poques espècies descrites. Tenen formes similars a berrugues i són gramnegatius anaeròbics, aïllats del sòl, aigües i de femta humana. Akkermansia, aerotolerant, a la microbiota de l’intestí humà, s’ha relacionat amb menor obesitat i menor incidència de malalties relacionades, gràcies a mantenir la capa mucosa degradant mucina, contribuint a la funció de barrera.

12b. Chlamydiae

També del superfílum PVC i fílum amb Verrucomicrobia, són cocs gramnegatius, obligats intracel·lulars d’eucariotes, molts patògens d’animals i alguns simbionts de protozous. Presenten dues formes (com els virus): l’extracel·lular, particulada o cos elemental, de només 0,3 µm, que per endocitosi genera la forma reticulada intracitoplasmàtica, de 0,5 µm. Les infeccions per Chlamydia són la malaltia bacteriana de transmissió sexual més freqüent.

13. Acidobacteria

Com Acidobacterium, són bacils gramnegatius aerobis o facultatius o anaerobis, heteròtrofs, molts d’ells oligòtrofs, majoria són acidòfils (pH 3-6), i tenen càpsules amb molt d’exopolisacàrid. Encara que són poc aïllats en cultiu, són ubics, especialment als sòls, on arriben a ser el 50% dels bacteris, on molts són simbiòtics a la rizosfera de les plantes. Alguns són bons biodegradadors de compostos aromàtics (Holophaga) i/o captadors de metalls (Geothrix).

14. Nitrospirae

Fílum monofilètic, són gramnegatius aerobis de forma helicoïdal o de coma (vibrió). Difícils d’aïllar, són presents en ecosistemes marins formant biofilms però també en terrenys humits o fangs actius de depuradores, biofiltres i altres. És nitrificant, fent oxidació de nitrits, ex. Nitrospira.

“Proteobacteria”

Com veiem a la Figura 4, el nom de gran part dels fílums restants contenen aquest terme. Constitueixen el grup més gran i metabòlicament més divers de bacteris, i tenen en comú ser gramnegatius amb membrana externa de lipopolisacàrids. Són quasi la meitat dels procariotes seqüenciats, i inclouen tant fotòtrofs com heteròtrofs amb un origen evolutiu comú, que se suposa serien fotòtrofs anoxigènics com els bacteris porpra (ex. Rhodospirillum). Per això i per tenir una relació filogenètica en base al 16S, Woese (1987) els va anomenar “Bacteris Porpra i relacionats” i va establir les primeres subdivisions alfa, beta, gamma i delta. Poc després Stackebrandt et al (1988) van proposar aquest terme Proteobacteria, basat en el déu grec Proteu, per l’analogia amb que aquest que podia adoptar múltiples formes.

15a. Deltaproteobacteria

Considerats fílum comú amb Thermodesulfobacteria, inclouen dos grups:

Els mixobacteris (ordre Myxococcales), aerobis que viuen als sòls, heteròtrofs de matèria orgànica insoluble, que es mouen per lliscament. Tenen genomes molt grans respecte a altres bacteris, de 10 Mbp, algun fins a 16 Mbp. El cicle biològic (Myxococcus per ex.) és complex: les formes vegetatives són bacils lliscants que s’agrupen en cossos fructífers (per quorum sensing de contacte) de diferents formes i colors, i que donen mixòspores esfèriques resistents. Alguns són productors d’antibiòtics i altres com Sorangium, també de fàrmacs antitumorals.

L’altre gran grup són els anaerobis estrictes relacionats amb el sofre. La reducció desassimiladora de sulfats en ambients marins i de depuració d’aigües suposa el 50% de la mineralització de matèria orgànica. Inclou aquests dos ordres:

Desulfovibrionales, els principals bacteris reductors de sulfats: Desulfovibrio, Desulfobacter i altres. Són bacils o bacils corbats flagel·lats que viuen en ambients aquosos, on degraden matèria orgànica, mitjançant la respiració anaeròbia utilitzant sulfat com a acceptor d’electrons. Produeixen SH2, que a més de fer pudor, reacciona amb metalls, els corrou, i produeix per ex. FeS. Són considerats dels microbis més antics a la Terra, i molts importants en el cicle del S.

Desulforomonadales, són els reductors de sofre elemental, també per respiració anaeròbia, però que també poden utilitzar altres compostos inorgànics com nitrat, Fe3+ i altres metalls. També produeixen SH2. Geobacter és un dels principals gèneres, utilitzat per a biodegradació i bioremediació de contaminants, i que s’està estudiant per al disseny de piles microbianes que generin electricitat gràcies a la conductivitat dels biofilms que formen.

15b. Thermodesulfobacteria

Mateix fílum que els Deltaproteobacteria. Són els reductors de sulfats termòfils i hipertermòfils, bacils aïllats de fonts termals, fons marins i xemeneies hidrotermals. El més conegut, Thermodesulfobacterium, té un lípid de membrana (fosfoaminopentanotetrol) que només es troba als arqueus. Geothermobacterium, aïllat a Yellowstone, té una temperatura òptima de 85-90ºC, la més alta dels bacteris, i redueix Fe3+.

16. Oligoflexia

Filogenèticament emparentats amb els Deltaproteobacteria, aquest fílum inclou Bdellovibrio i altres depredadors d’altres gramnegatius. Són bacils corbats (vibrions) petits (prop de 1 µm) aerobis, amb un flagel polar que els permet mobilitats de 100 vegades el seu cos per segon. En el seu cicle biològic, la forma lliure mòbil s’adhereix a un bacteri presa, li penetra, forma un complex esfèric amb l’hoste, utilitza hidrolases per digerir proteïnes i DNA de l’hoste, i hi creix en forma de filament, lisa l’hoste i el filament se separa en 3-6 cèl·lules filles lliures, tot en 4 h.

17. Spirochaetes

Les espiroquetes són bacteris gramnegatius amb membrana externa, de forma característica espiral o helicoïdal, força llargs (de 3 a 200 µm), degut al filament axial, conjunt de flagels, situat a l’espai periplàsmic. Aquest filament es contrau, permetent la mobilitat. Són heteròtrofs anaerobis o facultatius d’ambients aquàtics diversos. Spirochaeta és de vida lliure i no patogen, però altres gèneres ho són, com Leptospira (leptospirosi), Borrelia (malaltia de Lyme per les paparres) o Treponema (sífilis i malalties tropicals).

18. Epsilonproteobacteria

Són gramnegatius heteròtrofs, la majoria microaeròfils, mòbils i de formes corbades, espirals o helicoïdals, i els més coneguts són simbionts o patògens al tracte digestiu d’animals, humans inclosos. Campylobacter és patògen sobretot del bestiar, i d’origen alimentari als humans. Helicobacter és molt freqüent a l’estómac causant úlceres i gastritis. Arcobacter és un patogen emergent que a més de trobar-se al digestiu d’animals, pot ser contaminant de mariscs.

El fílum també inclou força aïllats no patògens aïllats de xemeneies hidrotermals i de les fosses submarines, com Sulfurimonas.

19. Alphaproteobacteria

Gran i molt divers fílum de gramnegatius amb membrana externa a la paret cel·lular. Junt amb betaproteobacteris i gammaproteobacteris constitueixen un clar grup monofilètic, d’origen comú, i serien les Proteobacteria mes típiques (Figura 4). El conjunt dels 3 fílums va ser nomenat com Rhodobacteria per Cavalier-Smith el 1987.

Els alfaproteobacteris inclouen els principals ordres següents:

Rhodobacterales , com Rhodobacter, model d’estudi de la fotosíntesi bacteriana anoxigènica. Són dels anomenats bacteris porpra (pel seu color resultant de les bacterioclorofil·les més els carotens) de no-sofre, per diferenciar-los del porpra de sofre (les Chromatiales dins els gammaproteobacteris). Tenen gran diversitat de metabolismes: fotosíntesi, litotròfia i respiració aeròbia i anaeròbica, i són presents en tots els ambients aquosos.

Rhodospirillales, que inclou també bacteris porpra no-sofre (Rhodospirillum) amb àmplies capacitats metabòliques i forma d’espiral. També ho són els bacteris acètics (Acetobacter, Gluconobacter, GluconacetobacterKomagataeibacter i altres), bacils aerobis ben coneguts pel metabolisme oxidatiu respiratori, oxidant sucres i etanol a àcid acètic, produint els vinagres. També ho és Magnetospirillum, microaeròfil de forma espiral, que conté els magnetosomes, orgànuls amb magnetita (Fe3O4), que els permeten orientar-se amb el camp geomagnètic.

Caulobacterales, com Caulobacter, de forma corbada i oligotròfics d’aigua dolça. Tenen un característic cicle cel·lular amb dues formes diferenciades: una amb peduncle adherit a un substrat, que en dividir-se asimètricament genera una forma lliure flagel·lar que acaba passant a forma pedunculada.

Magnetococcales, amb Magnetococcus, cocs marins amb característiques similars a Magnetospirillum, inclosos els magnetosomes.

Rhizobiales, amb Rhizobium, els ben coneguts fixadors de N2 endosimbionts als nòduls radiculars de les lleguminoses. Del mateix ordre són: Agrobacterium, causant de tumors en plantes per transferència del seu DNA, i per això molt utilitzat en enginyeria genètica (A. tumefaciens); Rhodopseudomonas, un altre bacteri porpra fotosintètic no-sofre d’aigües i sòls; Brucella, cocobacils petits patògens d’humans i altres animals; i Nitrobacter, bacils aerobis quimiolitòtrofs nitrificants, oxidant nitrit a nitrat.

Ricketssiales, són endosimbionts obligats de cèl·lules eucariotes, molts patògens, com Rickettsia, patogen humà pleomòrfic (cocs, bacils, etc.) transmès per artròpodes, i Wolbachia, que infecta moltíssims artròpodes i nematodes. Com he senyalat a la Figura 4, la relació filogenètica suggereix que els mitocondris (endosimbionts) es van desenvolupar a partir d’aquest grup.

Sphingomonadales, com Sphingomonas, bacils aerobis estrictes, amb glicoesfingolípids a membrana externa, enlloc dels lipopolisacàrids dels altres gramnegatius, i amb típiques colònies grogues. Presents a molts diversos ambients, on sobreviuen amb baixes concentracions de nutrients i una versàtil capacitat de biodegradar compostos, inclosos aromàtics i altres tòxics. Per això són usats per a bioremediació, i els seus polímers extracel·lulars (esfingans) són aprofitats a la indústria alimentària. Zymomonas són bacils anaerobis facultatius, amb la característica única entre bacteris de fer fermentació alcohòlica, al pulque mexicà o al vi de palma africà, degradant els sucres a piruvat mitjançant la via Entner-Doudoroff.

20. Betaproteobacteria

Fílum divers, de grups aerobis o facultatius, de formes variades, amb versatilitat metabòlica, tant heteròtrofs com quimiolitòtrofs, i alguns fotòtrofs. Els principals ordres són:

Burkholderiales, la majoria són bacils aerobis mòbils: Burkholderia i Bordetella, patògens d’humans i altres animals; Ralstonia i Achromobacter són corrents als sòls i patògens oportunistes; Alcaligenes també són patògens oportunistes, i alguns produeixen el biopolímer polihidroxibutirat; Oxalobacter excepcionalment és anaeròbic, es troba a la microbiota humana i al rumen dels remugadors, on degrada l’oxàlic, beneficiant a l’hoste, per una fermentació peculiar amb ATPasa; Sphaerotilus natans són filamentosos (fins a 0,5 mm) embeinats heteròtrofs aerobis, presents en aigües contaminades i que impedeixen floculació de fangs actius; Acidovorax, conegut patogen de cultius de cucurbitàcies (carbassa, carbassó, cogombre, síndria, etc.); Ideonella sakaiensis és degradador del plàstic PET (vegeu meu post sobre bacteris que mengen plàstic).

Neisseriales, diplococs aeròbics no mòbils, colonitzen les mucoses de molts animals sense causar danys, i només dos espècies són patògens humans: Neisseria meningitidis i N. gonorrhoeae.

Nitrosomonadales, ordre divers amb uns quants quimiolitòtrofs aerobis bacils, com Nitrosomonas, el més conegut dels nitrificants, que oxida amoni a nitrit, o Thiobacillus, els coneguts bacteris oxidadors de sofre (incolors) i de Fe2+, i Gallionella, bacil helicoïdal i filamentós també oxidador de ferro però microaeròfil. Methylophilus són dels diversos organismes (bacteris i fongs) metilòtrofs, que utilitzen com a substrat compostos C1, com metanol, metà, per tant són beneficiosos al medi ambient. Spirillum són microaeròfils heteròtrofs en forma d’espiral, presents en aigües dolces amb matèria orgànica.

Rhodocyclales, en destaca Zoogloea, bacils aeròbics mòbils que són rellevants als tractaments aerobis d’aigües residuals, on degraden matèria orgànica i ajuden a formar els flocs que sedimenten als fangs actius.

21. Gammaproteobacteria

L’últim gran fílum de Proteobacteria, gramnegatius amb membrana externa a la paret cel·lular, inclou molts grups importants científicament, mèdicament i ambientalment, amb aquests ordres principals:

Xanthomonadales, bacils aerobis, la majoria són fitopatògens com espècies de Xanthomonas que afecten els cultius de cítrics, tomàquets, arròs i altres, i Xylella a la vinya. Alguns són patògens oportunistes dels humans.

Chromatiales, són els bacteris porpra de sofre (Chromatium, Thiocapsa), que fan la fotosíntesi anoxigènica a partir de sulfurs o tiosulfat, produint sofre. Tenen membranes internes amb bacterioclorofil·la i carotens. Són presents a les zones anòxiques de llacs i altres hàbitats aquàtics com les zones intermareals.

Methylococcales, com Methylococcus, són un altre gran grup de metilòtrofs, que utilitzen metà com a font d’energia i de C, i que és oxidat a formaldehid, que s’assimila pel cicle de ribulosa monofosfat, en membranes internes en forma de discs perpendiculars a la paret cel·lular.

Thiotricales, són sobretot quimiolitòtrofs, amb formes de cocs agrupats en filaments, que acumulen grànuls de sofre. Beggiatoa viu en aigües que contenen H2S, i l’oxida a sofre, però també és heteròtrof. Thiomargarita namibiensis, trobat en sediments marins, és el bacteri més gran mai trobat, fins a 0,7 mm de diàmetre, i acumula S al periplasma i nitrat en vacuoles, ja que també és nitrificant.

Legionellales, amb Legionella, bacils pleomòrfics aerobis, coneguts patògens causants de pneumònia (legionel·losi) i altres malalties respiratòries. La majoria d’infeccions estan relacionades amb torres de refrigeració mal mantingudes.

Oceanospirillales són un grup divers metabòlicament però tots prefereixen o els cal un alt contingut en sal, com Halomonas, bacils aerobis mòbils.

Pseudomonodales inclou molts bacils o cocobacils mòbils (flagel·lació polar) heteròtrofs aerobis estrictes i oxidasa positius. Pseudomonas és un dels gèneres bacterians més ubics a molts hàbitats terrestres i aquàtics, amb alguns patògens de plantes i altres oportunistes dels humans, i força malbaratadors d’aliments. Alguns (P. syringae) faciliten la nucleació de cristalls de gel donant lloc a la congelació de teixits vegetals o la condensació de núvols o la formació de neu artificial (vegeu meu post). D’altra banda, la seva gran i diversa capacitat catabòlica aeròbica fa que siguin útils per a depuració d’aigües residuals i bioremediació d’hidrocarburs i altres compostos orgànics complexos. Azotobacter són cocs o de forma oval, mòbils, que formen cists de paret gruixuda i força llim extracel·lular, de vida lliure als sòls, amb un paper rellevant al cicle del N com a fixadors de N2. Acinetobacter són també comuns als sòls, on mineralitzen compostos aromàtics, i alguns són patògens oportunistes sobretot als hospitals. Moraxella són semblants, comensals de mucoses d’animals però també alguns patògens.

Aeromonadales, com Aeromonas, bacils anaerobis facultatius, semblants morfològicament als Enterobacterales, són presents en ambients aquosos, i causa freqüent de gastroenteritis i altres infeccions per ingestió d’aigües o menjar contaminat.

Vibrionales, són vibrions o cocobacils anaerobis facultatius mòbils, presents en medis aquosos, entre els quals hi ha força patògens d’humans, com Vibrio cholerae, i d’altres animals, sobretot peixos. Tanmateix també inclou la majoria de bacteris bioluminiscents: Photobacterium, Aliivibrio i molts Vibrio, d’ambients marins, molts simbiòtics de peixos i altres animals. La llum produïda (490 nm, color cian, blau-verd) ho és per cromòfors lux-flavina lligats a luciferasa, amb oxigen i una cascada de reaccions reductores d’àcids grassos.

Pasteurellales , són bacils o pleomòrfics, sense flagels, anaerobis facultatius i oxidasa positius (a diferència dels Enterobacterales), comensals de superfícies mucoses d’aus i mamífers, alguns patogens. Pasteurella són pleomòrfics i patògens zoonòtics. Molts Haemophilus són patògens humans i H. influenzae fou el primer organisme amb genoma seqüenciat, pel grup de Craig Venter el 1995.

Enterobacterales, inclou la majoria dels gramnegatius amb membrana externa més coneguts, alguns d’ells patògens. Destaquen els anomenats enterobacteris, família Enterobacteriaceae, entre els quals hi ha simbionts i patògens, sobretot a l’intestí dels animals. Són anaerobis facultatius, fan fermentació àcido-mixta i altres metabolismes, no tenen citocrom c oxidasa, i la majoria són bacils o cocobacils mòbils amb flagel·lació peritrica. Hi destaquen Escherichia coli, segurament el bacteri més conegut i organisme model del coneixement bioquímic, genètic i molecular. Alguns E. coli són patògens, altres oportunistes, molts comensals, i alguns fins i tot beneficiosos membres de la microbiota intestinal, utilitzats com a probiòtics. També són Enterobacteriaceae: Salmonella, patogen intracel·lular de molts animals per endotoxines, causant als humans de febres tifoides, infeccions de transmissió alimentària i altres patogènies; Shigella, patogen d’humans i altres primats, també amb endotoxines, és dels principals causants de diarrees; Yersinia pestis, cocobacil patogen ben conegut per les epidèmies; Klebsiella és ubic a molts ambients, comensal habitual de mucoses i intestí d’humans; Enterobacter són coliformes fecals termotolerants (creix a 44,5ºC), patògens oportunistes i alguns són útils en productes lactis; Citrobacter poden utilitzar citrat com a única font de C, també són ubics a molts ambients, i majoria no són patògens

Del mateix ordre Enterobacterales però d’altres famílies són: Erwinia, patogen de plantes; Hafnia, comensal del tracte gastrointestinal humà, usat com a ferment làctic, i possible probiòtic; Proteus, patogen oportunista; i finalment, Thorsellia, present a microbiota intestinal del mosquit Anopheles, que podria utilitzar-se modificat genèticament contra el mosquit i així prevenir transmissió de malària.

LLISTAT alfabètic de 147 GÈNERES bacterians, amb els Fílums corresponents

(enllaç clicant al fílum)

Aquest no és un llistat fix i estàtic: si us plau, si noteu a faltar algun altre gènere que considereu important, m’ho dieu i l’incorporaré.

Gènere Fílum
Acetobacter 19. Alphaproteobacteria
Achromobacter 20. Betaproteobacteria
Acidobacterium 13. Acidobacteria
Acidovorax 20. Betaproteobacteria
Acinetobacter 21. Gammaproteobacteria
Actinomyces 8. Actinobacteria
Aerococcus 5. Firmicutes
Aeromonas 21. Gammaproteobacteria
Agrobacterium 19. Alphaproteobacteria
Akkermansia 12a. Verrucomicrobia
Alcaligenes 20. Betaproteobacteria
Allivibrio 21. Gammaproteobacteria
Anabaena 4. Cyanobacteria
Aquifex 1. Aquificae
Arcobacter 18. Epsilonproteobacteria
Arthrobacter 8. Actinobacteria
Azotobacter 21. Gammaproteobacteria
Bacillus 5. Firmicutes
Bacteroides 10b. Bacteroidetes
Bdellovibrio 16. Oligoflexia
Beggiatoa 21. Gammaproteobacteria
Bifidobacterium 8. Actinobacteria
Bordetella 20. Betaproteobacteria
Borrelia 17. Spirochaetes
Brevibacterium 8. Actinobacteria
Brevibacterium 8. Actinobacteria
Brocardia 11. Planctomycetes
Brucella 19. Alphaproteobacteria
Burkholderia 20. Betaproteobacteria
Campylobacter 18. Epsilonproteobacteria
Carnobacterium 5. Firmicutes
Caulobacter 19. Alphaproteobacteria
Cellulomonas 8. Actinobacteria
Chlamydia 12b. Chlamydiae
Chlorobium 10a. Chlorobi
Chloroflexus 7. Chloroflexi
Christensenella 5. Firmicutes
Chromatium 21. Gammaproteobacteria
Chroococcus 4. Cyanobacteria
Citrobacter 21. Gammaproteobacteria
Clostridium 5. Firmicutes
Coprococcus 5. Firmicutes
Corynebacterium 8. Actinobacteria
Cutibacterium 8. Actinobacteria
Deinococcus 3. Deinococcus – Thermus
Desulfobacter 15a. Deltaproteobacteria
Desulphovibrio 15a. Deltaproteobacteria
Enterobacter 21. Gammaproteobacteria
Enterococcus 5. Firmicutes
Erwinia 21. Gammaproteobacteria
Escherichia 21. Gammaproteobacteria
Eubacterium 5. Firmicutes
Faecalibacterium 5. Firmicutes
Fibrobacter 9. Fibrobacteres
Flavobacterium 10b. Bacteroidetes
Frankia 8. Actinobacteria
Fructobacillus 5. Firmicutes
Gallionella 20. Betaproteobacteria
Geobacter 15a. Deltaproteobacteria
Geothermobacterium 15b. Thermodesulfobacteria
Geothrix 13. Acidobacteria
Gluconacetobacter 19. Alphaproteobacteria
Gluconobacter 19. Alphaproteobacteria
Haemophilus 21. Gammaproteobacteria
Hafnia 21. Gammaproteobacteria
Halomonas 21. Gammaproteobacteria
Helicobacter 18. Epsilonproteobacteria
Heliobacteria 5. Firmicutes
Holophaga 13. Acidobacteria
Hydrogenobacter 1. Aquificae
Ideonella 20. Betaproteobacteria
Klebsiella 21. Gammaproteobacteria
Komagataeibacter 19. Alphaproteobacteria
Lactobacillus 5. Firmicutes
Lactococcus 5. Firmicutes
Legionella 21. Gammaproteobacteria
Leptospira 17. Spirochaetes
Leuconostoc 5. Firmicutes
Listeria 5. Firmicutes
Magnetococcus 19. Alphaproteobacteria
Magnetospirillum 19. Alphaproteobacteria
Methylococcus 21. Gammaproteobacteria
Methylophilus 20. Betaproteobacteria
Micrococcus 8. Actinobacteria
Moraxella 21. Gammaproteobacteria
Mycobacterium 8. Actinobacteria
Mycoplasma 6. Tenericutes
Myxococcus 15a. Deltaproteobacteria
Neisseria 20. Betaproteobacteria
Nitrosomonas 20. Betaproteobacteria
Nitrobacter 19. Alphaproteobacteria
Nitrospira 14. Nitrospirae
Nocardia 8. Actinobacteria
Nostoc 4. Cyanobacteria
Oenococcus 5. Firmicutes
Oscillatoria 4. Cyanobacteria
Oxalobacter 20. Betaproteobacteria
Paenibacillus 5. Firmicutes
Pasteurella 21. Gammaproteobacteria
Pediococcus 5. Firmicutes
Phascolarctobacterium 5. Firmicutes
Photobacterium 21. Gammaproteobacteria
Planctomyces 11. Planctomycetes
Pleurocapsa 4. Cyanobacteria
Prevotella 10b. Bacteroidetes
Propionibacterium 8. Actinobacteria
Proteus 21. Gammaproteobacteria
Pseudomonas 21. Gammaproteobacteria
Ralstonia 20. Betaproteobacteria
Rhizobium 19. Alphaproteobacteria
Rhodobacter 19. Alphaproteobacteria
Rhodopseudomonas 19. Alphaproteobacteria
Rhodospirillum 19. Alphaproteobacteria
Rickettsia 19. Alphaproteobacteria
Ruminococcus 5. Firmicutes
Salmonella 21. Gammaproteobacteria
Selenomonas 5. Firmicutes
Shigella 21. Gammaproteobacteria
Sorangium 15a. Deltaproteobacteria
Sphaerothilus 20. Betaproteobacteria
Sphingomonas 19. Alphaproteobacteria
Spirillum 20. Betaproteobacteria
Spirochaeta 17. Spirochaetes
Spirulina 4. Cyanobacteria
Staphylococcus 5. Firmicutes
Streptococcus 5. Firmicutes
Streptomyces 8. Actinobacteria
Sulfurimonas 18. Epsilonproteobacteria
Synechococcus 4. Cyanobacteria
Thermodesulfobacterium 15b. Thermodesulfobacteria
Thermomicrobium 7. Chloroflexi
Thermotoga 2. Thermotogae
Thermus 3. Deinococcus – Thermus
Thiobacillus 20. Betaproteobacteria
Thiocapsa 21. Gammaproteobacteria
Thiomargarita 21. Gammaproteobacteria
Thorsellia 21. Gammaproteobacteria
Treponema 17. Spirochaetes
Veillonella 5. Firmicutes
Vibrio 21. Gammaproteobacteria
Weissella 5. Firmicutes
Wolbachia 19. Alphaproteobacteria
Xanthomonas 21. Gammaproteobacteria
Xylella 21. Gammaproteobacteria
Yersinia 21. Gammaproteobacteria
Zoogloea 20. Betaproteobacteria
Zymomonas 19. Alphaproteobacteria

Bibliografia

Bacterial phyla, Wikipedia

Bacterial taxonomy, Wikipedia

Cavalier-Smith T (1993) Kingdom protozoa and its 18 phyla. Microbiol Reviews 57, 953-94

Hug LA et al. (2016) A new view of the tree of life. Nat Microbiol. 1, 16048

Lang JM, Darling AE, Eisen JA (2013) Phylogeny of bacterial and archaeal genomes using conserved genes: Supertrees and supermatrices. PLoS ONE 8(4): e62510

Lengeler JW, Drews G, Schlegel HG (1999) Biology of the Prokaryotes. Blackwell Science.

Madigan M, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA (2017) Brock Biology of Microorganisms, 15th ed. Pearson.

MicrobeWiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/MicrobeWiki

NCBI, National Center for Biotechnology Information: https://www.ncbi.nlm.nih.gov

Parte AC (2014) LPSN – list of prokaryotic names with standing in nomenclature. Nucleic Acids Research 42, D1, D613-D616.

SCB, Societat Catalana de Biologia, IEC (2009-210). Els plurals d’alguns mots acabats en –us o en –um. Què cal saber, n. 210.

SCB, Societat Catalana de Biologia, IEC (2009-216). La denominació dels arqueus. Què cal saber, n. 216.

Stackebrandt E, Murray RGE, Trüper HG (1988) Proteobacteria classis nov., a name for the phylogenetic taxon that includes the “Purple bacteria and their relatives”. Int J Syst Bact 38, 321-325

Tortora GJ, Funke BR, Case CL, Weber D, Bair W. (2018) Microbiology: an Introduction. 13th ed. Pearson.

Whitman WB, ed. (2015) Bergey’s manual of systematics of archaea and bacteria. ISBN 9781118960608.

Whittaker RH (1969) New concepts of Kingdoms of organisms. Science 163, 150-160.

Wiley J, Sherwood L, Woolverton CJ (2017) Prescott’s Microbiology, 10th ed. McGraw Hill Education.

Woese CR (1987). Bacterial evolution. Microbiological Reviews 51(2): 221–71

Bacteroides, els bacteris gramnegatius més abundants dins nostre

21 març 2019

Click here for the English version: Bacteroides, our most abundant gram-negative bacteria

Actualització d’aquest tema: vegeu els treballs del grup de Yolanda Sanz del IATA-CSIC, com Gómez del Pulgar et al., 2020.

Qui són els Bacteroides?

Bacteroides és el gènere més conegut del grup de bacteris gramnegatius més abundants dins nostre, en concret dins l’intestí. Són fins a 8·1010 per gram de femta, entre un 20 i un 40% del total de la microbiota intestinal. Per extensió, aquest grup que inclou altres gèneres relacionats, es coneixen com a bacteroidals. Són anaerobis estrictes, no esporulats, no mòbils, tenen forma de bacils amb puntes arrodonides (Figura 1), són resistents a les sals biliars, a concentració del 20% de l’intestí prim, i tenen una bona capacitat d’utilització de polisacàrids.

Fig1 Gerard F2.large

Figura 1. Micrografia electrònica de cèl·lules de Bacteroides sp. D8 (Gerard et al 2007)

Abans que res, cal senyalar que hi han excel.lents revisions de Bacteroides, com la de Wexler (2007), tant dels seus aspectes beneficiosos dins la microbiota intestinal -que aquí comentarem-, com dels aspectes tòxics i altres característiques.

Els bacteroidals viuen exclusivament al tracte gastrointestinal dels animals, i per tant mostren una gran flexibilitat per adaptar-se a les condicions nutritives de l’ambient intestinal. Com a comensals i mutualistes, estableixen associacions a llarg termini amb els hostes i els proporcionen beneficis. L’adaptació d’aquests bacteris inclou el fer modificacions d’aquest ambient, com per exemple força Bacteroides codifiquen per a una citocrom bd oxidasa, que pot reduir les concentracions d’oxigen, amb la qual cosa els és més fàcil créixer com a anaerobis estrictes que són, i de pas, altres bacteris de la microbiota habitual també en surten beneficiats (Wexler, Goodman 2017).

El substrat més usual d’aquests bacteris són els polisacàrids vegetals de la dieta i del mucus de l’hoste (Wexler, Goodman 2017). En degradar i fermentar aquests carbohidrats, apareixen com a producte principal els àcids grassos de cadena curta (AGCC). Precisament un dels principals beneficis dels bacteroidals és que són els que produeixen més propionat al tracte intestinal, i el propionat és un dels AGCC beneficiosos, junt amb l’acetat i el butirat, ja que són font d’energia per als colonòcits i contribueixen al manteniment de les correctes homeòstasis de glucosa i el metabolisme lipídic (Ríos-Covián et al 2017). També treuen cadenes laterals de les sals biliars, facilitant el retorn dels àcids biliars a la circulació hepàtica. D’altra banda, un altre aspecte beneficiós és que exclouen altres possibles patògens ja que colonitzen el tracte intestinal i no deixen establir-se a altres.

Degut al fet que el tracte intestinal dels animals és el principal hàbitat i reservori ambiental dels bacteroidals, es pensa que hi ha hagut una relació evolutiva simbiòtica entre aquests bacteris i els hostes (Troy, Kasper 2010). Com en molts altres casos evolutius, aquest comensalisme mutualístic entre els microorganismes i l’hoste és quasi una simbiosi, on pràcticament cadascun dels organismes no pot viure sense l’altre.

Com a residents habituals de l’intestí, la gran majoria de Bacteroides no són nocius, sinó al contrari, però en condicions de desequilibris metabòlics com la diabetis o en pacients quirúrgics, alguns d’ells són oportunistes i poden ser patògens, i a més, alguns tenen certa resistència a antibiòtics. De fet, B. fragilis, l’espècie més abundant a la microbiota de persones sanes, pot donar en aquests casos infeccions molt greus i és el bacteri anaeròbic patogen més important en humans (Mancuso et al 2005). L’abundància deB. fragilis és evident fins i tot pel fet que els seus bacteriòfags són utilitzats com a traçadors de matèria fecal humana en aigües (Jofre et al 1995).

Quin tipus de bacteris són els Bacteroides?

Tal com detalla l’apartat de Taxonomia del NCBI, el gènere Bacteroides és un bacteri del superfílum Fibrobacter-Chlorobi-Bacteroidetes. Veiem la seva relació filogenètica amb la resta de fílums bacterians a la Figura 2. El fílum Bacteroidetes inclou també Cytophaga, Flavobacter i Sphingobacter, a més de la classe Bacteroidia, que sobretot inclou l’ordre Bacteroidales. Aquest inclou 2 famílies: les Bacteroidaceae i les Prevotellaceae. A banda de Bacteroides, Prevotella és un altre dels gèneres més coneguts, que de fet abans era conegut com B. melaninogenicus. Globalment parlem de bacteroidals per referir-nos a tot l’ordre.

Fig2 Bern 12862_2004_Article_146_Fig1_HTML

Figura 2. Arbre filogenètic dels diversos grups de bacteris (Bern, Goldberg 2005)

Bacteroides, uns dels predominants a la microbiota intestinal humana

La microbiota intestinal humana, i dels mamífers en general, és molt complexa, però sorprenentment hi han pocs fílums que predominin. En concret, el 98% dels bacteris identificats en humans (Figura 3) són de 4 fílums: 64% Firmicutes, 23% Bacteroidetes, 8% Proteobacteria i 3% Actinobacteria. Per tant, els bacteroidals són uns dels bacteris, i per tant microorganismes, més predominants a la microbiota intestinal. De fet, com que els Firmicutes són un fílum tan gran i divers, que inclou coses tan diferents com els clostridials i els bacteris làctics, es pot considerar que els bacteroidals, com a grup molt més homogeni, són pràcticament els predominants.

Fig3 brock 767 modif

Figura 3. Composició bacteriana del còlon humà deduïda dels 16S rRNA obtinguts de 17242 seqüències de mostres fecals (Madigan et al 2012)

Per veure amb més detall quines són les espècies predominants de la microbiota intestinal, molt recentment s’ha fet un estudi metagenòmic i funcional de 737 genomes seqüenciats d’aïllats bacterians de mostres fecals de 20 adults britànics i nordamericans (Forster et al 2019). S’hi han detectat 273 espècies bacterianes, de les quals 105 no s’hi havien trobat abans. Com veiem (Figura 4), entre les 20 espècies dominants n’hi han 8 Bacteroides, més 2 Parabacteroides, o sigui 10, senyalades en verd. Per tant, la meitat de les espècies majoritàries són bacteroidals. Les altres 10 són 6 clostridials (Firmicutes, en blau), 3 són Actinobacteria (en groc) i 1 és Proteobacteria (en taronja).

Fig4 Forster 2019 Fig4

Figura 4. Espècies majoritàries de la microbiota intestinal humana, detectades a partir de anàlisis metagenòmiques (Forster et al 2019).

Encara que la microbiota és diferent segons les persones, a nivell de soca la microbiota individual és molt estable. En un estudi amb 37 persones sanes (Faith et al 2013) s’han trobat unes 200 soques de 100 espècies diferents, i el 60% de les soques romanen a cada persona en un període de 5 anys. D’aquestes que romanen, les de Bacteroidetes i Actinobacteria són els més estables.

En aquest mateix estudi (Faith et al 2013), s’han comparat les microbiotes de 6 persones d’una mateixa família i s’ha vist que entre les 75 espècies bacterianes més freqüents a tots 6 es troben 18 Bacteroidetes (24%): 11 Bacteroides, 3 Parabacteroides, AlistipesBarnesiella, Odoribacter i Butyricimonas. La única espècie de les 75 que es troba a totes 6 persones és un Bacteroides: B. vulgatus.

La microbiota que ens acompanya va canviant al llarg de la vida (Figura 5). En el cas de Bacteroides, de fet als nadons n’hi ha relativament pocs. Tanmateix, ja són part normal de microbioma de la placenta, on predominen els Proteobacteria (Aagard et al 2014). Després del part, els bacteroidals van augmentant al llarg dels primers mesos i anys, en anar deixant la llet i amb els canvis de dieta, tal com augmenta la diversitat, fins arribar als adults on Bacteroides són dels més abundants (Gómez-Gallego, Salminen 2016).

Fig5 GomezGallego fig 1

Figura 5. Canvis a la microbiota humana al llarg de la vida (Gómez-Gallego, Salminen 2016).

La ingesta de menjar sòlid als infants, entre 4 mesos i 1 any, causa un notable increment de Bacteroidetes (Figura 6). Hi veiem la gran diferència en composició microbiana que hi ha dels 118 dies als 370. Llàstima que en aquest estudi (Koenig et al 2011) no hagin pres més mostres intermèdies, on poc a poc es va passant de farinetes i una mica de cereals, a la ingesta de pèsols i altres llegums, pastanagues, patata, etc. Aquest augment dels Bacteroidetes amb el menjar sòlid segurament està relacionat amb que bacteroidals són especialistes en el trencament de polisacàrids complexes, i alhora aquests impulsen el creixement d’aquests bacteris. Al mateix temps hi ha un clar augment dels nivells d’AGCC, un enriquiment de gens de la microbiota associats amb la utilització de carbohidrats, una major biosíntesi de vitamines, i també en la degradació de xenobiòtics. Per tant, el paper dels Bacteroidetes sembla primordial en l’establiment i manteniment de la microbiota de l’adult. Si bé hi ha diferències entre individus, un cop adults la composició microbiana és força estable al llarg de la vida, però amb certes variacions en funció dels canvis de dieta o d’hàbitat o de medicacions.

Fig6 Koenig fig 3

Figura 6. Anàlisi metagenòmica de seqüències de DNA extretes de mostres fecals d’infants (Koenig et al 2011).

Bacteroidals als altres mamífers

La microbiota intestinal és present a tots els animals amb sistema digestiu més o menys desenvolupat. A banda dels insectes on se l’ha estudiat força (Engel, Moran 2013), els més estudiats en aquest aspecte lògicament són els mamífers. Se n’ha estudiat la seva composició (Ley et al 2008), en concret a mostres fecals de 106 individus de 60 espècies de 13 tàxons diferents, incloent primats humans i no humans, tant herbívors com carnívors i omnívors. Dels 17 fílums de bacteris trobats, eren un 65% de Firmicutes, un 16% Bacteroidetes, 8% Proteobacteris i 5% d’Actinobacteris, entre altres. Per tant, és evident la rellevància dels bacteroidals, i les proporcions són semblants a les que més amunt hem comentat per a humans. En quant al grup majoritari de Firmicutes, és una llàstima que aquest treball, com força altres, no en distingeixi els diversos grups, sobretot entre lactobacils i clostridials. En aquest treball curiosament s’observa una major presència de Bacteroides als primats i als omnívors en general, i també a alguns herbívors, que als carnívors estudiats (Figura 7). En aquests hi ha molt pocs Bacteroidetes, i en canvi hi ha més gamma-proteobacteris, probablement enterobacteris (Ley et al 2008).

Fig7 Ley fig S1A

Figura 7. Percentatges de seqüències de mostres fecals de diferents mamífers assignats als principals diferents fílums bacterians (Ley et al 2008)

Diferents bacteroidals són biomarcadors d’estils de vida

En la cerca de tàxons microbians que puguin ser biomarcadors de dietes o d’estils de vida, s’ha vist que en comparar persones de països rics occidentals amb les de països subsaharians, a les primeres el biomarcador més clarament relacionat és el gènere Bacteroides, mentre que als subsaharians ho és Prevotella, una altra del mateix fílum Bacteroidetes. Com veiem, aquests dos gèneres, junt amb alguns clostridials, són els gèneres més abundants.

Si la dieta majoritària a llarg termini és rica en proteïnes i greixos animals, com passa als països occidentals, predomina Bacteroides, i en canvi si la dieta és rica en carbohidrats com als països subsaharians, predomina Prevotella (Gorvitovskaia et al 2016).

Què passa amb Bacteroides en casos de disfuncions ?

La rellevància beneficiosa dels Bacteroides sobre la salut és patent en casos de malalties o disfuncions com les al·lèrgies o l’obesitat (Figura 8), on la diversitat de la microbiota és molt menor, i el nombre de bacteroidals (Bacteroidetes) baixa molt.

Fig9 GomezGallego fig 2

Figura 8. Canvis a la microbiota en situacions disfuncionals com al·lèrgies i obesitat. (Gómez-Gallego, Salminen 2016).

Bacteroides contra l’obesitat

Uns experiments molt coneguts de microbiota intestinal en relació amb l’obesitat han estat els realitzats amb ratolins sense microbiota prèvia colonitzats amb microbiota procedent de bessons humans dels quals un era obès i l’altre prim (Ridaura et al 2013), amb el resultat que els ratolins amb microbiota del bessó obès (Ob) esdevenen obesos, mentre que els de microbiota del bessó prim romanen prims (Ln) (Figura 9). A més, en els ratolins prims s’observa una major producció intestinal d’AGCC i una més gran transformació microbiana dels àcids biliars, mentre que als obesos hi ha un major metabolisme d’aminoàcids ramificats.

Com hem comentat a l’apartat anterior, en els ratolins obesos s’observa una reducció del 50% de Bacteroidetes, a banda d’un augment de Firmicutes i de metanògens (Figura 10). Com veiem els arquees metanògens disminueixen l’hidrogen produït donant metà, i el menor nivell d’hidrogen promou la fermentació per part dels Firmicutes, de l’excés de menjar ingerit.

Fig10 mice obese lean Kay Chersnush

Figura 9. Ratolins obès i prim resultants de la colonització amb microbiotes de bessons humans obès i prim, respectivament (imatge de Kay Chernush / Getty Images).

Fig11 brock 768 modif

Figura 10. Diferències en les comunitats microbianes intestinals entre ratolins prims (esquerra) i obesos (dreta) (Madigan et al 2012).

El més sorprenent però d’aquest treball (Ridaura et al 2013) és l’experiment de cohabitació dels dos tipus de ratolins Ob i Ln on s’observa que després de 10 dies de conviure junts els obesos no presenten tant greix corporal (Figura 11), i en estudiar les microbiotes per seqüenciació, es veu que hi hagut una transferència de la microbiota dels ratolins prims als obesos (Figura 12). Com veiem, els principals bacteris transferits són bacteroidals, cosa que reforça la importància d’aquests bacteris que revisem en aquest article.

Fig12 ridaura change body

Figura 11. Adipositat (% greix corporal) de ratolins obesos (Ob) i prims (Ln), i els mateixos després de 10 dies de cohabitatge a la mateixa gàbia (Obchi Lnch) (Ridaura et al 2013).

Fig13 ridaura ob ln bacteroi

Figura 12. Demostració de la transferència de bacteroidals (7 espècies: 5 Bacteroides, 1 Parabacteroides i 1 Alistipes) de la microbiota intestinal de ratolins prims (Lnch) als obesos (Obch) després de 10 dies de cohabitatge a la mateixa gàbia. Cada columna correspon a un ratolí (Ridaura et al 2013).

Bacteroides contra el colesterol

Fa molts anys que se sap que la microbiota intestinal és capaç de convertir el colesterol en la seva forma saturada, el coprostanol (Figura 13), i en el cas d’altres mamífers s’havien trobat alguns clostridials (Eubacterium) com a responsables, però en els humans no ens coneixia quins microorganismes podien fer-ho. Recentment Gérard et al (2007) han aïllat una soca de femta humana que ho fa i l’han pogut identificar com a Bacteroides, probablement una espècie propera a B.vulgatus.

Fig14 Gerard colesterol

Figura 13. Fórmules del colesterol i del coprostanol (Gerard et al 2007)

Els glicans (polisacàrids), importants per al mutualisme entre Bacteroides i l’hoste humà

La majoria de les macromolècules no digerides que arriben al còlon són glicans (terme pràcticament sinònim de polisacàrids), que són una part molt important de la fibra. L’únic glicà que és quasi tot digerit prèviament a l’intestí prim és el midó. El consorci de microorganismes que habiten el còlon produeix un repertori enzimàtic enorme amb la capacitat de degradar un ventall de polisacàrids complexos que l’hoste no pot processar. Per això la microbiota intestinal es refereix sovint com un òrgan metabòlic.

D’altra banda, els abundants microbis comensals de la microbiota intestinal han d’haver resistit les condicions inhòspites dels trams previs al còlon i per establir-se al còlon ho han de fer de manera que no afectin l’hoste. Per això, enlloc d’interactuar amb les cèl·lules epitelials de l’intestí, romanen a la capa de mucus externa a la superfície epitelial. Al mateix temps, aquest mucus protegeix els microbis residents dels atacs d’altres bacteris i dels bacteriòfags, i els és un substrat de nutrients. S’ha comprovat que la capacitat de subsistir en aquest ecosistema està molt relacionada amb la utilització i producció de glicans per part dels bacteris residents (Comstock 2009).

Doncs justament aquesta capacitat de relació amb els glicans és una característica important dels bacteroidals, que tal com hem vist, són els microorganismes més abundants a l’intestí, juntament amb els Firmicutes. Efectivament, els Bacteroides tenen una extensa maquinària enzimàtica per utilitzar els polisacàrids complexos presents al còlon, i els utilitzen com a font de carboni i d’energia. Aquesta gran capacitat s’ha comprovat en seqüenciar el genoma de B. thetaiotaomicron (Xu et al 2003) i veure que conté més de 80 loci d’utilització de polisacàrids que codifiquen per a proteïnes relacionades amb la detecció, importació i degradació de glicans específics del còlon.

Com veiem (Figura 14), aquests bacteroidals utilitzen tant els glicans de la dieta de l’hoste com els produïts per l’epiteli intestinal, els metabolitzen, i produeixen per un costat els beneficiosos AGCC, i d’altra banda, sintetitzen glicans que acumulen en forma d’exopolisacàrid (EPS) contribuint a formar biofilms, i en càpsules que donen senyals immunomoduladores a l’hoste (Comstock 2009). Tot plegat, es constata la rellevància dels glicans en les relacions de mutualisme entre Bacteroides i l’hoste humà.

Fig15 Comstock F1

Figura 14. Utilització i producció dels glicans (polisacàrids) per Bacteroides. IM (inner membrane): membrana citoplasmàtica; OM (outer membrane): part externa de paret cel·lular dels gramnegatius; EPS: exopolisacàrid de capes mucoses no unit covalentment, a diferència del polisacàrid capsular (Comstock 2009)

A més dels glicans produïts per l’hoste, alguns Bacteroides també poden utilitzar els que produeixen altres microorganismes de la microbiota, com s’ha demostrat per a B. fragilis, l’espècie més freqüent a la superfície de la mucosa intestinal, que pot metabolitzar els exopolisacàrids produïts per bifidobacteris (Ríos-Covian et al 2016). La producció d’EPS pels bifidobacteris està estimulada per la bilis. Aquesta capacitat de B. fragilis d’utilitzar el EPS dels bifidobacteris els dóna més capacitat de supervivència quan els nutrients són escassos. Al mateix temps, la degradació dels EPS pot afectar la viabilitat dels bifidobacteris, i per tant, aquests bacteroidals tindrien un paper regulador de la microbiota intestinal en general.

Alguns glicans produïts pels bacteroidals tenen un efecte beneficiós en el sistema immunològic de l’hoste. En concret, s’ha vist que el polisacàrid A (PSA) produït per B. fragilis és capaç d’activar la resposta immune dependent de cèl·lules T, que influeix en el desenvolupament i l’homeòstasi del sistema immune (Troy, Kasper 2010). En efecte, la colonització de ratolins sense microbiota (germ-free) amb B .fragilis és suficient per corregir el desequilibri previ de cèl·lules Th1 i Th2 (T helper) (Figura 15). A més, el PSA pot protegir de les colitis, com les produïdes per Helicobacter, mitjançant la repressió de citoquines proinflamatòries associades amb un altre tipus de cèl·lules T, les Th17, i altres mecanismes (Mazmanian et al 2008).

Fig16 Troy Fig1 PSA B fragilis

Figura 15. Impacte del polisacàrid A (PSA) de Bacteroides fragilis en el desenvolupament dels sistema immunològic mitjançant la recuperació de l’equilibri de cèl·lules Th1/Th2 (Troy, Kasper 2010).

La dieta pot fer que els Bacteroides contribueixin a un bon equilibri metabòlic

En relació al que he comentat dels glicans com els EPS, s’ha vist que si al medi hi ha poc N orgànic i un carboni fàcilment fermentable com la glucosa, els bacteroidals produeixen més lactat i menys propionat, i en canvi amb més nitrogen orgànic (extracte de llevat) i els polisacàrids, aquests bacteris produeixen més propionat (Ríos-Covián et al 2017). Quan els EPS són presents, com a carbohidrats més complexos i lents de fermentar, el carboni dels aminoàcids pot ser incorporat a nivell de piruvat, i aleshores la via cap a succinat i propionat està potenciada i es manté millor l’equilibri redox. Com que una major producció de propionat és beneficiosa per a l’hoste, aquests autors conclouen que en casos de disfuncions metabòliques de l’hoste, un disseny d’una bona dieta (carbohidrats complexos amb nitrogen orgànic) contribuiria a modificar l’activitat metabòlica de Bacteroides, i aquests a més d’interactuar amb els altres bacteris beneficiosos, ajudarien a promoure efectes saludables a l’hoste.

Bacteroides com a probiòtics ?

La EFSA (Autoritat Europea per a la Seguretat Alimentària) no ha acceptat pràcticament cap al·legació d’efectes positius dels probiòtics sobre la salut a causa dels requeriments restrictius dels estudis amb humans. El mecanisme d’acció dels probiòtics és soca-dependent i sovint no es coneix prou bé. A més, podria ser que els bacteris incorporats no produïssin canvis mesurables suficients en individus sans com per obtenir una al·legació d’efecte sobre la salut. Calen més estudis a nivell genètic, perfil de resistència a antibiòtics i criteris de selecció del probiòtic.

Els probiòtics tradicionals són sobretot Lactobacillus, Bifidobacterium, però també algunes soques d’altres bacteris làctics, i de Bacillus, d’E. coli i de Saccharomyces. A banda d’aquests, recentment s’estan introduint els anomenats probiòtics de nova generació, gràcies sobretot a les noves tècniques de cultius i de seqüenciació. Entre aquests nous possibles probiòtics destaquen el verrucomicrobial Akkermansia muciniphila, alguns clostridials (vegeu el meu post) com Faecalibacterium prausnitzii, principal productor de butirat, però naturalment també els bacteroidals. Aquests tenen a més un clar avantatge sobre els clostridials i altres Firmicutes, que són molt més estables al tracte intestinal al llarg de la vida de la persona (Faith et al 2013).

Com hem vist, essent uns dels microorganismes més abundants a la nostra microbiota intestinal, Bacteroides té generalment uns clars beneficis per a l’hoste, dels quals ja hem vist alguns, com l’obesitat, o el colesterol. Els transplantaments de microbiota fecal per a casos de diarrees associades amb infeccions de Clostridium difficile estan tenint èxit (Van Nood et al 2013) i per tant s’està veient la possibilitat d’utilitzar alguna soca concreta o diverses, i amb això els Bacteroides són uns clars candidats per la seva abundància en les mostres de microbiota fecal.

A més dels esmentats, altres beneficis dels Bacteroides són els relacionats amb el sistema immune, a nivell de citoquines i de cèl·lules T i desenvolupament d’anticossos, per tal de tractar colitis intestinals, disfuncions immunes, desordres del metabolisme i fins i tot prevenció del càncer (Tan et al 2019).

A banda dels beneficis demostrats per a l’hoste, per ser considerada probiòtica una soca bacteriana ha de tenir un estatus de seguretat sense ambigüitats. En el cas de Bacteroides, recentment s’ha estudiat una soca (DSM 23964) de B. xylanisolvens aïllada de femta d’humans sans que pot ser probiòtic i de la qual s’ha demostrat que no té determinants de virulència que s’han trobat en alguns Bacteroides oportunistes, com l’absència d’enterotoxina bft i d’activitats enzimàtiques biodegradadores de matriu extracel·lular i de PSA. Tampoc té resistència a força antibiòtics -tanmateix sí que és resistent a alguns- i no s’hi han detectat plasmidis, amb la qual cosa fa molt improbable la transferència de possibles resistències. Per tant, aquesta soca sembla ben segura (Ulsemer et al 2012a). També s’ha vist que no s’adhereix a les parets de l’intestí, però resisteix l’acció dels enzims gàstrics i el baix pH. A més, tal com indica el nom de l’espècie, degrada xilà i altres pectines, la qual cosa lliga amb l’efecte positiu que tenen els prebiòtics, o sigui aquests compostos, en aquest cas heteropolisacàrids, que són beneficiosos per a la microbiota intestinal.

Altres característiques bàsiques de probiòtic trobades en aquesta soca són la producció d’AGCC i les propietats immunomoduladores. Aquestes propietats i la seguretat i bona tolerància d’aquesta soca de B. xylanisolvens s’han comprovat incorporant-la, inactivada per calor, en una llet fermentada que en assajos ha estat ingerida per humans sans (Ulsemer et al 2012b). La seva seguretat també s’ha confirmat en estudis de toxicitat en ratolins, on altes dosis de la soca no han donat efectes tòxics ni mutagènics, ni danys hematològics ni histopatològics (Ulsemer et al 2012c).

En base a aquests estudis, l’Autoritat Europea de Seguretat Alimentària ha donat el vist-i-plau a la utilització de les llets fermentades amb B. xylanisolvens DSM 23964 pasteuritzat com a nou aliment (EFSA 2015). Tanmateix, no hi ha sol·licitud de considerar-la com a probiòtic, sobretot pel fet que els bacteris no són viables ja que s’ha pasteuritzat el producte, i per definició, els probiòtics han de ser microorganismes vius.

Perspectives

Hem vist la rellevància de Bacteroides com un dels components principals de la microbiota intestinal humana i de mamífers en general. A més del seu paper fonamental dins l’intestí, i de les possibilitats de la seva utilització com a probiòtic, cal afegir que és un model ideal per a l’estudi dels bacteris intestinals, a més de la seva abundància, perquè és relativament fàcil de cultivar, i té possibilitats de ser manipulat genèticament (Wexler, Goodman 2017). Per tant, cal aprofundir en el coneixement dels bacteroidals, i en particular de com metabolitzen els nutrients o el mucus de l’hoste, o com responen als canvis de dieta de l’hoste i altres pertorbacions, o com interactuen amb els altres microorganismes presents al digestiu. Una millor comprensió de tots aquests mecanismes afavorirà el disseny de terapèutiques dirigides per modificar la microbiota de pacients que pateixen diverses malalties, infeccions i desordres metabòlics lligats a la microbiota intestinal (Wexler, Goodman 2017).

Bibliografia

Aagaard K(2014) The placenta harbors a unique microbiome. Sci Transl Med6, 237ra65

Bern M, Goldberg D (2005) Automatic selection of representative proteins for bacterial phylogeny. BMC Evolut Biol 5:34

Comstock LE (2009) Importance of glycans to the host – Bacteroidesmutualism in the mammalian intestine. Cell Host & Microbe 5, 522-526

EFSA, European Food Safety Authority (2015) Scientific opinion on the safety of “heat-treated milk products fermented with Bacteroides xylanisolvensDSM 23964″ as a novel food. EFSA J 13(1):3956

Engel P, Moran NA (2013) The gut microbiota of insects – diversity in structure and function. FEMS Microbiol Rev 37, 699-735

Faith JJ et al (2013) The long-term stability of the human gut microbiota. Science 341, 1237439

Forster et al (2019) A human gut bacterial genome and culture collection for improved metagenomic analyses. Nature Biotechnol 37, 186-192

Gérard P et al (2007) Bacteroides sp. strain D8, the first cholesterol-reducing bacterium isolated from human feces. Appl Env Microbiol 73, 5742-5749

Gómez-Gallego C, Salminen S (2016) Novel probiotics and prebiotics: how can they help in human gut microbiota dysbiosis ? Appl Food Biotechnol 3, 72-81

Gómez del Pulgar EM, Bénitez-Páez A, Sanz Y (2020) Safety assessment of Bacteroides uniformis CECT 7771, a symbiont of the gut microbiota in infants. Nutrients 12, 551

Gorvitovskaia A et al (2016) Interpreting Prevotella and Bacteroides as biomarkers of diet and lifestyle. Microbiome 4:15, 1-12

Jofre J et al (1995) Potential usefulness of bacteriophages that infect Bacteroides fragilis as model organisms for monitoring virus removal in drinking water treatment plants. Appl Environ Microbiol 61, 3227-3231

Koenig JE et al (2011) Succession of microbial consortia in the developing infant gut microbiome. PNAS 108, 4578-4585

Ley RE et al (2008) Evolution of mammals and their gut microbes. Science 320, 1647-1651

Madigan MT, Martinko JM, Stahl DA, Clark DP (2012) Brock Biology of Microorganisms. 13th Ed. Pearson

Mancuso G et al (2005) Bacteroides fragilis– derived lipopolysaccharide produces cell activation and lethal toxicity via Toll-like receptor 4. Infect Immunity 73, 5620-5627

Mazmanian et al (2008) A microbial symbiosis factor prevents intestinal infammatory disease. Nature 453, 620-625

Ridaura VK et al (2013)Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice. Science 341, 1241214

Ríos-Covian et al (2016) Bacteroides fragilismetabolises exopolysaccharides produced by bifidobacteria. BMC Microbiol 16, 150

Ríos-Covian et al (2017) Shaping the metabolism of intestinal Bacteroidespopulation through diet to improve human health. Front Microbiol 8, 376

Tan H et al (2019) Investigations of Bacteroides spp., towards next-generation probiotics. Food Res Internat 116, 637-644

Troy EB, Kasper DL (2010) Beneficial effects of Bacteroides fragilis polysaccharides on the immune system. Front Biosci 1, 15:25-34.

Ulsemer P et al (2012)a Preliminary safety evaluation of a new Bacteroides xylanisolvens isolate. Appl Env Microbiol 78, 528-535

Ulsemer P et al (2012)b Safety and tolerance of Bacteroides xylanisolvensDSM 23964 in healthy adults. Benef Microb 3, 99-111

Ulsemer P et al (2012)c Safety assesment of the commensal strain Bacteroides xylanisolvensDSM 23964. Regul Toxicol Pharmacol 62, 336-346

Van Nood E (2013) Duodenal infusion of donor feces for recurrent Clostridium difficile. New Eng J Medicine 368, 407-415

Wexler HA (2007) Bacteroides: the Good, the Bad, and the Nitty-Gritty. Clin Microbiol Rev 20, 593-621

Wexler AG, Goodman AL (2017) An insider’s perspective: Bacteroides as a window into the microbiome. Nat Microbiol 2, 17026

Wikipedia contributors. Bacteroides [Internet]. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2019 March 19

Xu J et al (2003) A genomic view of the human – Bacteroides thetaiotaomicronsymbiosis. Science 299, 2074-2076

Bacteris que “mengen” plàstic

27 novembre 2018

Click here for the English version: Plastic-eating bacteria

Oceans de plàstic

Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic (que encara hi han ignorants que no s’ho creuen), l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i com sabeu, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, sobretot plàstics, anomenades “illes de plàstic” (Figura 1). En el cas de la zona centre nord del Pacífic, on conflueixen diferents corrents marines, la “illa” arriba a fer 1500 km de radi, i amb plàstics fins a 200 m de fondària, i segueix creixent. Podeu llegir-ne més, i sobre les conseqüències ambientals, a l’article Sopa de plàstic del Pacífic de la Wikipedia.

F1 great-pacific-garbage-patch

Figura 1. Petita part de la illa de plàstic del Pacífic nord (Tret de oceanandreserveconservationalliance.com)

 

Els plàstics PET

Encara que hi molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les “illes de plàstic” és el politereftalat d’etilè (o polietilè terfetalat), conegut com a PETo PETE (Figura 2). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger i té múltiples aplicacions (Figura 3). Només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. És un material reciclable (vegeu Pet bottle recycling a Wikipedia) però molt resistent a la biodegradació. A la natura pot durar alguns centenars d’anys.

F2 PET molecular structure

Figura 2. El PET, politereftalat d’etilè.

 

F3 pet uses www.technologystudent.com

Figura 3. Les múltiples aplicacions del PET (Tret de http://www.technologystudent.com).

 

El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET

I. sakaiensis (Figura 4) és un bacteri en forma de bacil, gram-negatiu no esporulat aeròbic heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al 2016). Creix a pHs neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris, que inclou entre molts altres als coneguts Neisseria (gonorrea i meningitis) i el nitrificant Nitrosomonas.

F4 Ideonella-sakaiensis falsecolorSEM Yoshida S

Figura 4. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al 2016).

 

La soca201-F6, la primera de la nova espècie I. sakaiensis, fou aïllada d’un abocador i identificada el 2016 per un grup japonès de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 5), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar. Una colònia de I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Els productes PET d’alt grau requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los. Aquest és el primer bacteri trobat com a degradador de PET, i l’utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d’haver evolucionat en aquest breu període fins arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, enlloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro 2016).

F5 Yoshida fig 3 right

Figura 5. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i l’àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatecuïc (PCA) per la DCDDH. Finalment, l’anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Els n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al 2016).

 

Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET, que també excreten esterases. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al 2008). Cal recordar l’assemblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica (Figura 3), als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.

 

Recent millora genètica de l’enzim PETasa de Ideonella sakaiensis

Per tal d’entendre millor el funcionament i l’especificitat de la PETasa, recentment un grup d’investigadors nord-americans i britànics han caracteritzat l’estructura de la PETasa (Austin et al 2018), sobretot per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució, comparant-la amb una cutinasa homòloga, obtinguda de l’actinobacteri Thermobifida fusca. Les principals diferències entre les dues han estat una major polarització en la superfície de la PETasa (pI 9.6) que en la cutinasa (pI 6.3), i per altra banda, com veiem (Figura 6), una amplada més gran de la fissura del lloc actiu en el cas de la PETasa de I. sakaiensis. Això podria ser per acomodar-hi més fàcilment els polièsters aromàtics com el PET.

F6 austin fig 2 modif

Figura 6. Estructures comparades (esquerra) de la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de l’actinobacteri Thermobifida fusca (baix), obtingudes per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució (0.92 Å). La fissura del lloc actiu està senyalada amb un cercle puntejat vermell. Detalls (dreta) del lloc actiu amb diferents amplades de la fissura a la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de T. fusca (baix) (Tret de Austin et al 2018).

 

Amb la hipòtesi que l’estructura d’aquest lloc actiu de la PETasa hauria resultat de l’evolució d’una semblant a la cutinasa en un ambient amb PET, Austin et al (2018) van procedir a fer mutacions en el lloc actiu de la PETasa per fer-lo més semblant al de la cutinasa i van obtenir un doble mutant S238F/W159H que teòricament faria més estreta l’entrada del lloc actiu (Figura 6). Però la seva sorpresa va ser majúscula quan van veure que el mutant degradava millor el PET (una millora del 20%), amb una erosió del film de PET (Figura 7 C) encara més gran que la PETasa original (Figura 7 B). Van veure que l’explicació era que els canvis de residus (aminoàcids) del mutant afavorien l’encaix del PET al lloc actiu, malgrat fer-ne la fissura més estreta (Austin et al 2018).

F7 austin fig 3 modif

Figura 7. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig d’un retall de PET sense microorganismes (A), amb incubació 96 h de la PETasa de la soca I. sakaiensis 201-F6 (B) i de la PETasa del doble mutant S238F/W159H (C) (Tret de Austin et al 2018).

 

A més, aquests autors han vist que aquesta PETasa degrada també altres polièsters semiaromàtics semblants, com el poletilè-2,5-furandicarboxilat (PEF), i per tant aquest enzim pot ser considerat una poliesterasa aromàtica, però no degrada els alifàtics.

La conclusió del seu treball és que l’enginyeria de proteïnes és factible per millorar el rendiment de la PETasa i que cal seguir aprofundint en el coneixement de les relacions entre estructura i activitat per a la biodegradació dels polièsters sintètics (Austin et al 2018).

 

Altres menja-plàstics ?

La descoberta de I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d’establir un procés de reciclat ràpid del PET, però no és el primer organisme que s’hagi trobat com a consumidor de plàstics. Per cert, veiem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 8.

F8 Shah 2008 Fig 1

Figura 8. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU) (Tret de Shah et al 2008).

 

Doncs bé, repassant la bibliografia, veiem que s’han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos PseudomonasRhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.

Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard 2002), i sobretot l’endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al 2011).

D’altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (Yang et al 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l’animal (Figura 9), com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al 2018).

F9 fig Abs Yang 2015 2

Figura 9. Biodegradació del poliestirè pels bacteris intestinals de Tenebrio, el cuc de la farina (Yang et al 2015).

 

Per acabar, com veiem la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d’estranyar, ja que per un costat, hi ha “plàstics” naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic que són fàcilment degradables (Shah et al 2008), i d’altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.

El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d’ajudar als nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.

 

Bibliografia

Austin HP et al (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Nat Acad Sci 115, 19, E4350-E4357

Brandon AM et al (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome.Environ Sci Technol 52, 6526-6533

Griggs MB (2017 april 24) These caterpillars chow down on plastic bags. Popular Science. http://www.popsci.com

Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220

https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Pacific_garbage_patch

https://en.wikipedia.org/wiki/PET_bottle_recycling

https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate

Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. http://www.popsci.com

Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084

Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País

Shah AA et al (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265

Tanasupawat et al (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818

Yang et al (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093

Yoshida et al (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,1196–1199

 

 

 

Els bacteris làctics de les cerveses: els dolents i els bons

18 agost 2018

Click here for the English version: The good and the bad lactic acid bacteria of beers

No és fàcil “viure” a la cervesa

En principi, la majoria de bacteris làctics (BL), i molts altres bacteris i en general molts microorganismes, no ho tenen fàcil per sobreviure dins la cervesa, ni a d’altres begudes alcohòliques com el vi. Com és conegut, això és un dels motius principals pel qual vins i cerveses hagin estat des de l’antigor una de les maneres més segures higiènicament de beure una cosa semblant a l’aigua i que no estigués contaminada, a banda de les aigües bullides, com el té i altres infusions d’herbes.

Els motius de la difícil supervivència dels microorganismes a la cervesa són l’etanol, el pH força àcid (al voltant de 4), l’escassesa de nutrients degut a què els llevats els han assimilat quasi tots, el poc oxigen dissolt, l’alta concentració de carbònic (un 0.5% en pes/volum) i la presència dels compostos derivats de la humulona (Figura 1) del llúpol: els iso-alfa-àcids, fins a 50 ppm, que són microbicides. Tots aquests obstacles fan molt difícil que qualsevol microorganisme hi pugui prosperar. Les cerveses més susceptibles de creixement microbià no desitjat són les que algun dels obstacles o impediments esmentats està esmorteït: cerveses amb pH més alt de 4.5, o amb poc etanol o poc CO2, o amb sucres afegits -que són nutrients-, o amb poca quantitat dels compostos derivats del llúpol (Vriesekoop et al 2012).

 

Fig 1 512px-S-Humulone_Isomerization.svg

Figura 1. La humulona (esquerra) del llúpol es degrada durant l’elaboració de la cervesa a isohumulona (dreta) i altres iso-alfa-àcids, compostos amargs característics i microbicides (Wikipedia; Sakamoto & Konings 2003)

 

El pH àcid de la cervesa (lleugerament superior al vi) inhibeix molts dels bacteris patògens més coneguts (Figura 2). I els casos que veiem que podrien créixer a aquest pH a prop de 4, són inhibits pels altres factors com l’etanol.

Fig 2 Menz 2009 jib49-fig-0002-m

Figura 2. Marges de pH àcid per al creixement de diversos bacteris, comparat amb el pH típic de les cerveses. Tret de Menz et al (2009).

 

Els bacteris làctics dolents a la cervesa

Malgrat el que acabem de veure, alguns bacteris -concretament alguns dels làctics- han estat capaços d’adaptar-se evolutivament a les condicions estrictes de les cerveses, i hi poden sobreviure i espatllar-les. En concret, les espècies més freqüents com perjudicials per a la qualitat de les cerveses són Lactobacillus brevis i Pediococcus damnosus (Figura 3). La primera és la més freqüent, i pot donar gustos i aromes no desitjats, així com terbolesa al producte final. P. damnosus té l’avantatge de créixer a baixes temperatures, i pot produir també aromes no volguts, destacant-ne el diacetil (Vriesekoop et al 2012). Alguns Pediococcus i Lactobacillus poden adherir-se als llevats, induint que sedimentin, la qual cosa retarda la fermentació (Suzuki 2011).

 

Fig 3 brevis i pedio

Figura 3. Lactobacillus brevis (esquerra) i Pediococcus damnosus (dreta) al microscopi electrònic de rastreig.

 

Alguns Pediococcus també poden ser els responsables de l’aparició d’amines biògenes en algunes cerveses, amb risc per al consumidor. Les amines en certa concentració són tòxiques, poden ser presents en alguns aliments fermentats com formatges, embotits i begudes alcohòliques com vins i cerveses, i es produeixen per descarboxilació d’aminoàcids per part dels BL. El nivell de tiramina i altres amines ha estat utilitzat com a mesura de la qualitat en algunes de les cerveses belgues elaborades amb BL (Loret et al 2005).

A banda d’aquests BL, altres bacteris relacionats amb problemes de contaminació a les cerveses són els acètics com Acetobacter, típicament associats amb l’entrada d’oxigen  a l’envasat o a la distribució. Altres bacteris perjudicials són alguns enterobacteris, com Shimwellia pseudoproteus o Citrobacter freundii, que proliferen a les primeres etapes de fermentació, i produeixen butanodiol, acetaldehid i altres compostos aromàtics no desitjats (Vriesekoop et al 2012). Uns altres bacteris perjudicials per a la cervesa, sobretot un cop embotellada, són Pectinatus i Megasphaera, que són anaerobis estrictes, de la família dels clostridis, i poden produir sulfur d’hidrogen i àcids grassos de cadena curta, tots ells desagradables (Suzuki 2011).

 

Els bacteris làctics bons de les cerveses

Els BL són ben coneguts per ser uns dels microbis que més beneficis aporten al camp alimentari, per una banda com a mitjà econòmic de conservar els aliments, i per altra banda per millorar-ne la qualitat i les característiques organolèptiques. Per això són els principals agents dels aliments fermentats, junt amb els llevats. Hem vist alguns dels beneficis alimentaris dels BL en altres posts d’aquest mateix blog: els formatges prehistòrics, o la microbiota de la llet materna, i fins i tot els bacteris del vi.

Així doncs, els BL també tenen el seu bon paper a la producció de les cerveses: en concret, com veurem tot seguit, en la producció de malt acidulat, i en alguns estils peculiars de cervesa com les Làmbic de Bèlgica i la Berliner Weissbier.

Com sabeu, el malt és la matèria primera per fer cerveses. El cereal és sotmès al procés del maltatge, on els grans del cereal -ordi fonamentalment- es fan germinar, els enzims hidrolitzen el midó a sucres, i tot plegat es cou a continuació, obtenint-ne el most, que és la solució substrat per tal que els llevats fermentin i produeixin l’etanol i el carbònic. L’acidificació del malt, o sigui amb un pH més baix, té els avantatges d’activar molts enzims importants al maltatge, i donar una menor viscositat al malt i per tant a la cervesa final. Encara que l’acidificació es pot aconseguir afegint-hi àcids minerals o l’àcid làctic comercial, sovint es recomana o es legisla que l’acidificació sigui biològica, la qual s’aconsegueix afegint-ne BL. La utilització de cultius iniciadors de BL és un procés relativament nou i a més dels beneficis comentats sobre la qualitat del malt, s’ha demostrat que també inhibeix floridures no desitjades que són un problema real al maltatge i que poden donar micotoxines. Els compostos produïts pels BL que poden inhibir els fongs són el mateix àcid làctic i la baixada de pH conseqüent, algunes bacteriocines, peròxid d’hidrogen, i altres compostos no gaire coneguts com potser alguns pèptids (Lowe & Arendt 2004).

Les soques de BL més utilitzades per acidular el malt són de Lactobacillus amylolyticus aïllats prèviament del mateix malt. Aquestes soques de L. amylolyticus són moderament termòfiles, resistents als compostos derivats de l’humulona, i tenen l’avantatge de ser amilolítics a banda de produir l’àcid làctic, que baixa el pH (Vriersekoop et al 2012).

Les cerveses en la fermentació de les quals intervenen BL, com les d’estils Làmbic i Berliner Weissbier, pertanyen al tipus de cerveses de fermentació espontània. Els altres tipus de cerveses de fermentació controlada són, com sabeu, les més conegudes Ale i les Lager, ambdues inoculades amb llevats específics. Les Ale són les de fermentació alta, on el llevat Saccharomyces cerevisiae utilitzat tendeix a romandre a la superfície i la temperatura de fermentació és per damunt de 15ºC i de 20ºC. Les Lager són les de fermentació baixa, originàries històricament de Baviera, on el llevat S. pastorianus (syn. S. carlsbergensis) tendeix a dipositar-se al fons del fermentador i la temperatura és entre 7 i 13ºC.

 

Les cerveses belgues Làmbic

Les cerveses belgues tradicionals d’estil Làmbic (neerlandès lambiek o lambik) són les més conegudes en quant a les seves característiques sensorials degudes a l’activitat dels BL. Són tradicionals de Brussel·les mateix i de la regió veïna de Pajottenland, a la vall de riu Zenne, al Brabant flamenc al SW de la capital belga. Un dels pobles d’aquesta vall és Lembeek, que podria ser l’origen del nom d’aquesta cervesa.

Aquestes cerveses flamenques de fermentació espontània representen l’estil més antic de fer cervesa del món desenvolupat, des de fa uns quants segles. Des de fa pocs anys se n’elaboren cerveses semblants a altres països en petites quantitats, i als EEUU des de 2008 se’n produeixen en força quantitat, les anomenades “American coolship ales” (Ray 2014).

Les cerveses làmbiques s’elaboren amb malta d’ordi i un mínim de 30% de blat no maltejat. Al most s’afegeixen els cons d’un llúpol especial, totalment assecats i envellits durant 3 anys. S’hi afegeixen no tant per al seu aroma o amargor, que justament els envellits en tenen menys, sinó com a antimicrobià, per prevenir sobretot el creixement de bacteris patògens gram-positius al brou de fermentació.

També per evitar aquests contaminants i per afavorir la microbiota pròpia de la fermentació làmbica, aquestes cerveses només es produeixen entre octubre i maig, ja que a l’estiu hi ha massa microorganismes perjudicials a l’aire que podrien espatllar la cervesa, i cal baixar la temperatura després de la bullida. L’ebullició del most es realitza de forma intensiva, amb una evaporació del 30%. Després de la bullida, el brou es deixa en dipòsits oberts, i d’aquesta manera hi són adquirits els microorganismes de l’aire presents a les sales de fermentació de la cerveseria, normalment a la part alta de l’edifici, i de l’aire exterior, ja que la tradició diu que cal deixar les finestres obertes. Se suposa que la microbiota captada és específica de la vall del Zenne. Aquests dipòsits oberts són els koelschip en neerlandès (coolship en anglès), com piscines (Figura 4). En ser ben oberts, amb molta superfície (uns 6 x 6 m) i poca fondària (uns 50 cm), afavoreixen la captació dels microbis de la sala i de l’exterior. Una altra finalitat d’aquesta forma és el refredament més ràpid del brou bullit per iniciar la fermentació. Poden ser de fusta, de coure o d’inoxidable més recentment.

DCIM100GOPROGOPR0641.JPG

Figura 4. Koelschip (en neerlandès) o coolship (en anglès), els dipòsits oberts, com piscines, on s’inicia el procés de la cervesa Làmbic (Brasserie Cantillon, Brussel·les).

 

El brou “inoculat” d’aquesta manera espontània només es deixa una nit als koelschip, i l’endemà aquest most ja es bombeja a tancs de fermentació on hi serà un any, on el contingut en sucres va baixant, fins a uns 30 g/L. Després es transfereix a barriques de roure de les utilitzades prèviament per a xerès o porto, on es pot arribar a deixar uns dos anys més, a unes temperatures de 15-25ºC. Algunes barriques fa 100 anys que s’utilitzen les mateixes. El producte final és una cervesa tèrbola, d’un groc pàl·lid, amb molt poc carbònic, seca, àcida, amb uns 6-8º d’etanol, que recorda una mica al xerès i sobretot a la sidra, i amb un regust lleugerament agre (Jackson 1999).

En aquest llarg procés de fermentació, fins a 3 anys, com és lògic, hi ha una diversitat en la composició de la població microbiana. En una primera fase hi ha una certa predominança de llevats Kloeckera i sobretot d’enterobacteris durant el primer mes. Al cap de 2 mesos ja predominen Pediococcus damnosus i Saccharomycess pp. i comença la fermentació alcohòlica. Després de 6 mesos de fermentació el llevat predominant és Dekkera bruxellensis (Spitaels et al 2014), o el que és el mateix, Brettanomyces (Kumara & Verachtert 1991), del qual Dekkera és la forma sexual.

Fig 5 Spitaels fig3

Figura 5. Espècies dels aïllats en medis d’agar MRS i VRBG, sobretot enterobacteris i bacteris làctics, al llarg del procés d’elaboració d’una cervesa làmbic. El nombre d’aïllats és entre parèntesis (Spitaels et al 2014).

 

Veiem (Figura 5) com en concret a partir dels 2 mesos el bacteri predominant és el bacteri làctic P. damnosus. Aquest fou nomenat als primers estudis com “P. cerevisiae“, però aquest nom finalment no fou admès perquè incloïa altres espècies. El recompte d’aquests en MRS és de 10UFC per mL fins al final de la fermentació. L’acidificació sembla que té lloc ràpidament en la transició de la primera fase a la de maduració, coincidint amb el creixement de P. damnosus, que produeix làctic, encara que Dekkera/Brettanomyces i els bacteris acètics també contribueixen a l’acidificació (Spitaels et al 2014).

En altres assajos amb les American coolship ales (ACA) d’estil làmbic també s’han trobat Lactobacillus spp., i en un estudi metagenòmic (Bukolich et al 2012) amb aquestes ACA s’ha detectat DNA de diversos lactobacil·lals, i al final del procés també s’observa un predomini de Pediococcus (Figura 6, panell C). A la mateixa figura al panell A observem com el fong unicel·lular predominant també és Dekkera/Brettanomyces.

Fig 6 Bukolich fig 2

Figura 6. Anàlisis TRFLP (polimorfismes de longituds de fragments de restricció terminal amplificats per PCR) de DNA total extret de mostres del procés de fermentació de cerveses ACA (similars a les làmbic) durant 3 anys, utilitzant encebadors específics per a: llevats (ITS1/ITS4 del 26S rDNA, panell A);  bacteris (16S rDNA, panell B); i bacteris làctics (panell C). Les mostres senyalades amb * no donaren amplificació. (Bukolich et al 2012)

 

Cerveses derivades de les Làmbic: Gueuze, les afruitades i altres

La làmbic bàsica, tal qual, és difícil d’aconseguir, només es troba a uns pocs cafès de Brussel·les i de la zona de producció. De fet, és la base per elaborar les altres, molt més habituals de consumir:

La Faro és una làmbic endolcida amb sucre moré i a vegades amb espècies.

Les làmbic afruitades són les que se’ls ha afegit fruites senceres o xarop de fruites. Poden ser amb cirera agre (kriek), que són les més tradicionals, o amb gerds, préssec, raïm, maduixa, i en ocasions també de poma o pinya o albercoc o altres.

I finalment, les Gueuze, que són escumoses i fàcils de trobar per al consumidor. S’elaboren barrejant làmbiques joves (de 6 mesos a 1 any) amb altres làmbiques més madures (de 2-3 anys) en ampolles de vidre gruixut semblants a les de xampany o cava i es deixen per a una segona fermentació gràcies als sucres romanents del làmbic jove. Això ho hauria començat a fer un alcalde de Lembeek cap al 1870, que era propietari d’una cerveseria i hi va aplicar les tècniques de fermentació en ampolla que feia alguns anys havien donat bon resultat a la Xampanya (Cervesa en català 2012). La paraula gueuze pot tenir el mateix origen etimològic que gist (llevat en neerlandès) i també podria referir-se a que produeix bombolles del carbònic, o sigui, gas (Jackson 1999). Tanmateix, una altra versió històrica seria que a aquesta cervesa li deien “Lambic de chez le gueux” (làmbic de cal pobre) perquè l’esmentat alcalde de Lembeek tenia idees socialistes semblants a les del “Parti des Gueus” (partit dels captaires) que van fundar els calvinistes de Flandes al segle XVI per lluitar contra l’imperi espanyol. I com que cervesa és femení en francès, el femení de gueux és gueuze, vet aquí (Cervesa en català 2012).

En aquesta refermentació en ampolla es mantenen les poblacions de Dekkera/Brettanomyces i de BL, encara que apareixen en poca quantitat altres fongs unicel·lulars com Candida, Hansenula, Pichia o Cryptococcus (Verachtert & Debourg 1999).

Fig 7 lambics3 swanbournecellars

Figura 7. Diverses cerveses Gueuze i làmbic afruitades, majoritàriament belgues (Foto de www.swanbournecellars.com.au/).

 

La Berliner Weissbier (Figura 8) és una altra cervesa relativament semblant a les Làmbic. També és una cervesa feta amb una part important de most de blat, és tèrbola, àcida i amb un 3% d’etanol. És una clàssica de Berlín i el nord d’Alemanya, elaborada des del s. XVI i que fins a finals del s. XIX era la beguda alcohòlica més popular de Berlín, i que els soldats de Napoleó anomenaven el “xampany del nord”. En la fermentació espontània del most intervenen una barreja de Dekkera/Brettanomyces, Saccharomyces i lactobacils heterofermentatius.

Fig 8 Berliner Weissbier boozedancing_Fotor

Figura 8. La cervesa Berliner Weisse (tret de G-LO, @boozedancing wordpress).

 

Cerveses tipus làmbic fetes a Espanya

De la mateixa manera que recentment es fan les comentades American Coolship Ales, també se’n fan a molts altres països i en el cas d’Espanya, coincidint amb el gust per les cerveses artesanals, també se n’elaboren de tipus làmbic, sobretot de les afruitades. Segons el portal Birrapedia, actualment se n’elaboren 6 d’aquestes, totes de cireres, de les quals dues a les terres de Lleida, una a Barcelona, una a la Marina Alta d’Alacant, una a la vall del Jerte, i una altra a Astúries.

 

Resistència dels bacteris làctics de la cervesa als compostos del llúpol

Lactobacils i pediococs, tant els dolents com els bons que hem vist, i altres bacteris contaminants de les cerveses, tenen la capacitat de resistir els compostos del llúpol, que com hem vist són microbicides naturals. Aquesta resistència pot ser deguda a diversos sistemes de defensa, tant actius com passius (Sakamoto & Konings 2003). Els actius inclouen bombes d’eflux, com HorA i HorC, que transporten els iso-alfa-àcids (Figura 1) cap a fora la cèl·lula.  HorA ho fa amb despesa d’ATP, i HorC mitjançant la força motriu de protons (Figura 9). Els gens corresponents horA i horC foren trobats originalment a L. brevis, però després s’han trobat també a L. lindneri, L. paracollinoides i el més conegut P. damnosus (Suzuki et al 2006).

Curiosament, HorA mostra una semblança del 54% amb OmrA, un transportador de membrana d’Oenococcus oeni, relacionat amb la tolerància d’aquest bacteri del vi a l’etanol i altres factors d’estrés (Bourdineaud et al 2004) (Vegeu alguna cosa més sobre O. oeni al meu post sobre els bacteris de la vinya i el vi). Per tant, és probable que HorA tingui també funcions d’exclusió d’altres compostos a banda dels del llúpol. S’ha vist que aquests gens de resistència horA i horC i les seves regions flanquejants estan molt ben conservades i tenen les seqüències quasi idèntiques a les diferents espècies que les tenen; per tant, és molt probable que unes les hagin adquirit de les altres mitjançant transferència gènica horitzontal, per plasmidis o transposons, com és usual en molts altres bacteris (Suzuki 2011).

Fig 9 brevis Suzuki fig 8

Figura 9. Mecanismes de resistència als compostos del llúpol (Hop) a Lactobacillus brevis (Suzuki 2011).

 

Com veiem a la mateixa Figura 9, els protons entrats són bombejats a fora per una ATPasa, i el consum d’ATPs és compensat formant-ne gràcies al consum de substrats com citrat, malat, piruvat o arginina. Un altre mecanisme de resistència, passiu en aquest cas, és la modificació de la composició d’àcids grassos de membrana, amb la incorporació de més saturats, com el C16:0, disminuint la fluïdesa de membrana i dificultant l’entrada dels compostos del llúpol. Això també ens recorda els canvis de membrana a O. oeni relacionats amb la resistència a etanol (Margalef-Català et al 2016). La paret cel·lular també canvia la seva composició en presència dels alfa-iso-àcids del llúpol, augmentant-ne la quantitat dels lipoteicoic d’alt pes molecular, la qual cosa també faria de barrera. Veiem també (Figura 9) com els compostos del llúpol poden fer disminuir els nivells intracel·lulars de Mn2+, i aleshores s’observa una major síntesi de proteïnes dependents de Mn i una major captació de Mn2+ de l’exterior. Finalment, les cèl·lules de L. brevis quan són a la cervesa redueixen la seva mida (Figura 10), probablement per disminuir la superfície extracel·lular, i així minimitzar l’efecte dels compostos tòxics externs (Suzuki 2011).

Fig 10 brevis mida Suzuki

Figura 10. Efectes de l’adaptació a la cervesa (esquerra) en la mida de les cèl·lules de Lactobacillus brevis en comparació a les crescudes en medi ric MRS (dreta). Les barres fan 5 µm (Suzuki 2011).

 

Tots aquests mecanismes s’han estudiat a soques de L. brevis perjudicials de la cervesa, però se suposa que la resistència que també tenen els bacteris beneficiosos de les làmbiques i altres ha de ser deguda als mateixos mecanismes, ja que són de les mateixes espècies bacterianes.

Com a conclusió de tot el que he comentat, veiem que els bacteris làctics tenen uns papers destacables com a beneficiosos en diversos aspectes de la cerveseria i malteria, malgrat el seu paper més conegut de perjudicials en l’elaboració de les cerveses més habituals.

 

Bibliografia

Birrapedia (vist 18 agost 2018) Cervezas de tipo Fruit Lambic elaboradas en España. https://birrapedia.com/cervezas/del-tipo-fruit-lambic-elaboradas-en-espana

Bokulich NA et al (2012) Brewhouse resident microbiota are responsible for multi-stage fermentation of American Coolship Ale. PLoS One, 7, e35507

Bourdineaud J et al (2004) A bacterial gene homologous to ABC transporters protect Oenococcus oenifrom ethanol and other stress factors in wine. Int J Food Microbiol 92, 1-14.

Cervesa en català (2012) Fitxes de degustació – Timmermans Gueuze Tradition http://cervesaencatala.blogspot.com.es/2012/06/fitxes-de-degustacio-timmermans-gueuze.html

Jackson, Michael (1999) Belgium’s great beers. Beer Hunter Online, july 30, 1999

Kumara HMCS & Verachtert H (1991) Identification of Lambic superattenuating micro-organisms by the use of selective antibiotics. J Inst Brew 97, 181-185

Loret S et al (2005) Levels of biogenic amines as a measure of the quality of the beer fermentation process: data from Belgian samples. Food Chem 89, 519-525

Lowe DP & Arendt EK (2004) The use and effects of lactic acid bacteria in malting and brewing with their relationships to antifungal activity, mycotoxins and gushing: a review. J Inst Brew 110, 163-180

Margalef-Català et al (2016) Protective role of glutathione addition against wine-related stress in Oenococcus oeni. Food Res Int 90, 8-15

Menz G et al (2009) Pathogens in beer, in Beer in Health and Disease Prevention, (Preedy, V. R. Ed.), 403–413, Academic Press, Amsterdam

Ray AL (2014) Coolships rising: the next frontier of sour beers in the U.S.  First we feast 27 feb 2014

Sakamoto K & Konings WN (2003) Beer spoilage bacteria and hop resistance. Int J Food Microbiol 89, 105-124

Spitaels F et al (2014) The microbial diversity of traditional spontaneously fermented lambic beer. PLOS One 9, 4, e95384

Suzuki K et al (2006) A review of hop resistance in beer spoilage lactic acid bacteria. J Inst Brew 112, 173-191

Suzuki K (2011) 125th Anniversary Review: microbiological instability of beer caused by spoilage bacteria. J Inst Brew 117, 131-155

The Beer Wench (2008) My obsession with wild beers. Nov. 20, 2008 https://thecolumbuswench.wordpress.com/tag/lambic/

Verachtert H & Debourg A (1999) The production of gueuze and related refreshing acid beers. Cerevisia, 20, 37–41

Vriesekoop F et al (2012) 125th Anniversary review: Bacteria in brewing: the good, the bad and the ugly. J Inst Brew 118, 335-345

 

Lluís Rabell

Activista, polític, company

Blog Cátedra de Historia y Patrimonio Naval

“Quien domina el mar, domina todas las cosas” (Temístocles)

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Life Secrets

For my students

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

A %d bloguers els agrada això: