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Microbioma

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Um microbioma (do grego antigo μικρός (mikrós) "pequeno" e βίος (bíos) "vida") é a comunidade de microrganismos que pode ser encontrada vivendo em conjunto em um determinado habitat. O termo foi definido de forma mais precisa em 1988 por John Whipps et al. como "uma comunidade microbiana característica que ocupa um habitat razoavelmente bem definido, com propriedades físico-químicas distintas. Assim, o termo não se refere apenas aos microrganismos envolvidos, mas também engloba o seu teatro de atividade". Em 2020, um painel internacional de especialistas publicou o resultado de suas discussões sobre a definição de microbioma, propondo uma definição baseada em uma retomada da "descrição compacta, clara e abrangente do termo", conforme originalmente apresentada por Whipps et al., complementada por dois parágrafos explicativos: o primeiro enfatizando o caráter dinâmico do microbioma e o segundo distinguindo claramente o termo "microbiota" do termo "microbioma".[1]

A microbiota consiste em todos os membros vivos que formam o microbioma. A maioria dos pesquisadores concorda que bactérias, arqueias, fungos, algas e pequenos protistas devem ser considerados membros do microbioma, já a inclusão de bacteriófagos, vírus, plasmídeos e elementos genéticos móveis é mais controversa. O "teatro de atividade" de Whipps inclui o papel essencial que metabólitos secundários desempenham na mediação de interações interespecíficas complexas e na garantia da sobrevivência em ambientes competitivos. O quorum sensing induzido por pequenas moléculas permite que bactérias controlem atividades cooperativas e adaptem seus fenótipos ao ambiente biótico, resultando, por exemplo, em adesão célula-célula ou formação de biofilme.

Todos os animais e plantas formam associações com microrganismos, incluindo protistas, bactérias, arqueias, fungos e vírus. No oceano, as relações entre animais e microrganismos costumavam ser estudadas em sistemas simples de hospedeiro-simbionte. No entanto, novas investigações sobre a diversidade de microrganismos associados a diversos animais marinhos hospedeiros levam o campo a estudos que abordam as interações entre o animal hospedeiro e o microbioma composto por vários membros. O potencial dos microbiomas de influenciar a saúde, a fisiologia, o comportamento e a ecologia dos animais marinhos pode alterar a compreensão atual sobre como esses organismos se adaptam às mudanças, especialmente às mudanças climáticas e às de origem antrópica que já afetam o oceano e o microbioma do fitoplâncton. O microbioma vegetal desempenha papéis centrais na saúde das plantas e na produção de alimentos, tendo recebido grande atenção no século XXI. As plantas vivem associadas a diversos consórcios microbianos, conhecidos como microbiota vegetal, presentes tanto no interior (endosfera) quanto no exterior (episfera) dos tecidos vegetais. Esses microrganismos exercem funções importantes na ecologia e na fisiologia das plantas. Acredita-se que o microbioma vegetal central contenha táxons microbianos fundamentais, essenciais para a saúde da planta e para a aptidão do holobionte vegetal. De modo semelhante, o microbioma intestinal de mamíferos emergiu como um regulador fundamental da fisiologia do hospedeiro e a coevolução entre linhagens de hospedeiros e microrganismos desempenhou papel crucial na adaptação dos mamíferos a seus diversos modos de vida.

O estudo sobre microbiomas teve origem na microbiologia no século XVII e o desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos impulsionou a pesquisa microbiológica e provocou mudanças de paradigma na compreensão da saúde e da doença.[2] O desenvolvimento dos primeiros microscópios permitiu a descoberta de um novo mundo até então desconhecido e levou à identificação dos microrganismos. As doenças infecciosas eram o primeiro foco de interesse e pesquisa, no entanto, apenas uma pequena proporção dos microrganismos está associada a doenças ou patogenicidade, a grande maioria dos micróbios é essencial para o funcionamento saudável dos ecossistemas e é conhecida por interações benéficas com outros microrganismos e organismos. O conceito de que microrganismos existem como células isoladas começou a mudar quando se tornou evidente que eles ocorrem em arranjos complexos, nos quais interação entre espécies e comunicação são cruciais. A descoberta do DNA, o desenvolvimento das tecnologias de sequenciamento, da RCP e de técnicas de clonagem permitiram a investigação de comunidades microbianas por meio de abordagens independentes de cultivo. Novas mudanças de paradigma ocorreram e permaneceram no início do século XXI, à medida que novas tecnologias de sequenciamento e o acúmulo de dados genômicos destacaram tanto a ubiquidade das comunidades microbianas associadas a organismos superiores quanto os papéis fundamentais dos microrganismos na saúde humana, animal e vegetal, revolucionando a ecologia microbiana. A análise de genomas e metagenomas em alta produtividade oferece métodos altamente eficazes para pesquisar o funcionamento de microrganismos individuais, bem como de comunidades microbianas inteiras em habitats naturais.

Contexto

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História

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A pesquisa sobre microbiomas teve origem na microbiologia e começou no século XVII e o desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos impulsionou a pesquisa microbiológica e causou mudanças de paradigma na compreensão da saúde e da doença. Como as doenças infecciosas afetaram as populações humanas ao longo de grande parte da história, a microbiologia clínica foi o primeiro foco de pesquisa e interesse público. Além disso, a microbiologia de alimentos é um campo antigo de aplicações empíricas. O desenvolvimento dos primeiros microscópios permitiu a descoberta de um novo mundo até então invisível e levou à identificação de microrganismos.[1]

O acesso a esse mundo, até então invisível, abriu os olhos e as mentes dos pesquisadores do século XVII. Anton van Leeuwenhoek investigou diversas bactérias, fungos e protozoários, que ele chamou de animálculos, principalmente a partir de amostras de água, lama e placa dentária, e descobriu os biofilmes como uma primeira indicação de microrganismos interagindo em comunidades complexas. A explicação de Robert Koch sobre a origem das doenças humanas e animais como consequência de infecção microbiana e o desenvolvimento do conceito de patogenicidade foram marcos importantes da microbiologia, desviando o foco da pesquisa e da percepção pública para o papel dos microrganismos como agentes causadores de doenças que deveriam ser eliminados.[1]

No entanto, pesquisas abrangentes ao longo do último século mostraram que apenas uma pequena proporção dos microrganismos está associada a doenças. A grande maioria dos micróbios é essencial para o funcionamento do ecossistema e conhecida por interações benéficas tanto com outros microrganismos quanto com macrorganismos. Manter um microbioma saudável é essencial para a saúde humana e pode ser o foco de novas terapias.[3]

No final do século XIX, a ecologia microbiana [en] teve início com o trabalho pioneiro de Martinus Beijerinck e Sergei Winogradsky [en]. A recém-estabelecida ciência da microbiologia ambiental resultou em outra mudança de paradigma: os microrganismos estão em toda parte nos ambientes naturais, frequentemente associados a hospedeiros e, pela primeira vez, foram relatados efeitos benéficos em seus hospedeiros.[4][5][1]

Subsequentemente, o conceito de que os microrganismos existem como células isoladas começou a mudar à medida que se tornou cada vez mais evidente que os micróbios existem em conjuntos complexos, nos quais as interações e a comunicação entre as espécies são cruciais para a dinâmica populacional e as atividades funcionais.[6] A descoberta do DNA, o desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento, a RCP e técnicas de clonagem permitiram a investigação de comunidades microbianas utilizando abordagens baseadas em DNA e RNA independentes de cultivo.[7][1]

Um avanço importante foi a introdução de marcadores filogenéticos, como o gene 16 S rRNA, para a análise de comunidades microbianas por Carl Woese e George E. Fox em 1977.[8] Atualmente, os biólogos podem realizar a codificação de barras de DNA de bactérias, arqueias, fungos, algas e protistas em seus habitats naturais, por exemplo, visando seus genes 16 S rRNA e 18 S rRNA [en], o espaçador interno transcrito (ITS) ou, alternativamente, regiões funcionais específicas de genes que codificam enzimas específicas.[9][10][11][1]

Outra grande mudança de paradigma teve início no começo deste século, à medida que novas tecnologias de sequenciamento e dados acumulados de sequências destacaram tanto a onipresença das comunidades microbianas associadas a organismos superiores quanto os papéis críticos dos micróbios na saúde humana, animal e vegetal.[12] Estas novas possibilidades revolucionaram a ecologia microbiana, uma vez que a análise de genomas e metagenomas de alto rendimento fornece métodos eficientes para abordar o potencial funcional de microrganismos individuais, bem como de comunidades inteiras em seus habitats naturais.[13][14] Tecnologias multiômicas [en], incluindo abordagens de metatranscritoma, metaproteoma e metaboloma [en], agora fornecem informações detalhadas sobre as atividades microbianas no meio ambiente. A partir da rica base de dados, o cultivo de micróbios ganhou nova importância e a culturômica de alto rendimento é uma parte importante das ferramentas de estudo de microbiomas. O alto potencial e o poder da combinação de múltiplas técnicas "ômicas" para analisar as interações hospedeiro-micróbio são destacados em várias revisões.[15][16][1]

Cronologia da pesquisa de microbiomas do século XVII até o presente [1]
Avanços tecnológicos
 Ano
Descobertas científicas
 Cientistas Fontes
Microscopia 1670 descoberta de microrganismos Antonie van Leeuwenhoek
pai da microbiologia		 [17]
1729 classificação de plantas e fungos Pier Antonio Micheli [18]
1796 primeira vacinação Edward Jenner [19]
1837 levedura na fermentação alcoólica Charles Cagniard de Latour [fr]
Friedrich Kützing
Theodor Schwann		 [20]
abordagens baseadas em cultivo 1855-1857 pasteurização, fermentação,
vacina antirrábica		 Louis Pasteur [21]
1875 base da taxonomia bacteriológica Ferdinand Cohn
1884 Postulados de Koch Robert Koch [22]
1888 início da ecologia microbial
nitrificação, fixação de nitrogênio, microbiologia do solo, ciclo de vida		 Sergei Winogradsky [en] [23]
1892 extração do vírus do mosaico do tabaco das folhas Dmitri Ivanovsky
Martinus Beijerinck
1904 conceito da rizosfera Lorenz Hiltner [24]
microscopia de fluorescência 1911 [25]
espectrometria de massas 1919 Francis Aston [26]
1922 Quimiolitotrofia Sergei Winogradsky [27]
1928 transformação de informação genética para a prole Frederick Griffith [28][29]
1928 descoberta de antibióticos Alexander Fleming [30]
microscopia eletrônica de varredura 1931
-1938		 [31]
1944 DNA como portador de informação genética Oswald Avery
Colin Macleod
Maclyn McCarty		 [32]
1946 "reprodução sexual" de bactérias Joshua Lederberg
Edward Tatum		 [33]
1953 estrutura 3D em dupla hélice James Watson
Francis Crick		 [34]
Hibridização in situ iSIS 1969 [35]
HPLC Década de 1970 dogma central da biologia molecular Francis Crick [36][37]
matriz de DNA [en]/hibridização de colônia 1975 [38]
Método de Sanger 1977 Frederick Sanger [39][40]
1977 descoberta de arqueia Carl Woese
George E. Fox		 [8][41]
1977 primeiro sequenciamento completo de genoma de um vírus [42]
1982 descoberta de príons Stanley B. Prusiner [43]
técnica de PCR 1983 [44][45]
hibridização fluorescente in situ 1988 [46][47]
1991 Teoria hologênica da evolução [en] Eugene Rosenberg
Ilana Zilber-Rosenberg		 [48]
PCR em tempo real quantitativo 1993 [49]
1993 a estrutura complexa de biofilmes Hans-Curt Flemming [50][51]
abordagem rRNA de ciclo completo 1995 [52]
1995 primeiro sequenciamento completo de genoma
de Haemophilus influenzae		 Craig Venter
e colegas		 [53]
sequenciamento de nova geração 2005 [54]
2005 HMP: Projeto do Microbioma Humano [55]
sequenciamento de terceira geração 2008 [56]
2008 TerraGenome:
Projeto de Metagenoma de Referência do Solo		 [57]
2010 Projeto Microbioma da Terra [58]

Etimologia

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A palavra microbioma (do grego micro, que significa "pequeno", e bíos, que significa "vida") foi utilizada pela primeira vez por J.L. Mohr em 1952 na revista The Scientific Monthly para designar os microrganismos encontrados em um ambiente específico.[59][60]

Definições

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As comunidades microbianas são geralmente definidas como a coleção de microrganismos que vivem juntos. Mais especificamente, as comunidades microbianas são definidas como assembleias de múltiplas espécies, nas quais os (micro)organismos interagem entre si em um ambiente contíguo.[61] Em 1988, Whipps e outros colegas, trabalhando na ecologia de microrganismos da rizosfera, forneceram a primeira definição do termo microbioma, descrevendo o microbioma como uma combinação das palavras "micro" e "bioma", nomeando uma "comunidade microbial característica" em um "habitat razoavelmente bem definido que possui propriedades físico-químicas distintas" como o seu "teatro de atividade". Esta definição representa um avanço considerável na definição de uma comunidade microbiana, pois define uma comunidade microbiana com propriedades e funções distintas e suas interações com o seu ambiente, resultando na formação de nichos ecológicos específicos.[1]

No entanto, muitas outras definições de microbioma foram publicadas nas últimas décadas. Em 2020, a definição mais citada era a de Lederberg,[62] que descrevia os microbiomas dentro de um contexto ecológico como uma comunidade de microrganismos comensais, simbióticos e patogênicos dentro de um espaço corporal ou outro ambiente. Marchesi e Ravel focaram em sua definição nos genomas e nos padrões de expressão gênica microbiana (e viral) e proteomas em um determinado ambiente e suas condições bióticas e abióticas prevalecentes.[63] Todas essas definições indicam que os conceitos gerais da macroecologia poderiam ser facilmente aplicados às interações micróbio-micróbio, bem como às interações micróbio-hospedeiro. No entanto, não está claro até que ponto esses conceitos, desenvolvidos para macro-eucariontes, podem ser aplicados a procariontes com seus diferentes estilos de vida em relação à dormência, variação de fenótipo e transferência horizontal de genes,[64] bem como a microeucariontes. Isso gera o desafio de considerar um corpo inteiramente novo de modelos e teorias de ecologia conceitual para a ecologia do microbioma, particularmente em relação às diversas hierarquias de interações de micróbios entre si e com os ambientes bióticos e abióticos do hospedeiro. Muitas definições atuais falham em capturar essa complexidade e descrevem o termo microbioma como abrangendo apenas os genomas dos microrganismos.[1]

Definições de microbioma[1]
Tipo de definição Exemplos
Ecológica As definições baseadas na ecologia descrevem o microbioma conforme os conceitos derivados da ecologia de organismos multicelulares. O principal problema é que as teorias da macroecologia nem sempre se ajustam às regras do mundo microbiano.
  • "Uma estrutura ecológica conveniente para examinar sistemas de biocontrole é a do microbioma. Este pode ser definido como uma comunidade microbiana característica que ocupa um habitat razoavelmente bem definido, com propriedades físico-químicas distintas. O termo, portanto, não se refere apenas aos microrganismos envolvidos, mas também engloba o seu teatro de atividade".[65]
  • "Este termo refere-se a todo o habitat, incluindo os microrganismos (bactérias, arqueia, eucariontes inferiores e superiores, e vírus), seus genomas (genes) e as condições ambientais circundantes. Esta definição baseia-se na de 'bioma', os fatores bióticos e abióticos de determinados ambientes. Outros na área limitam a definição de microbioma à coleção de genes e genomas de membros de uma microbiota. Argumenta-se que esta é a definição de metagenoma que, combinado com o ambiente, constitui o microbioma. O microbioma caracteriza-se pela aplicação de uma ou combinações de metagenômica, metabonômica, metatranscritômica e metaproteômica combinadas com metadados clínicos ou ambientais".[63]
  • "Outros usam o termo microbioma para se referir a todos os micróbios de uma comunidade e, especialmente, para o microbioma das plantas, aquelas comunidades microbianas associadas à planta que podem viver, prosperar e interagir com diferentes tecidos, como raízes, brotos, folhas, flores e sementes".[66]
  • "Comunidade ecológica de microrganismos comensais, simbióticos e patogênicos dentro de um espaço corporal ou outro ambiente".[62]
Dependente do hospedeiro/organismo As definições dependentes do hospedeiro baseiam-se nas interações microbianas com o hospedeiro. As principais lacunas aqui dizem respeito à questão de se os dados de interação micróbio-hospedeiro obtidos de um hospedeiro podem ser transferidos para outro. A compreensão da coevolução e seleção nas definições dependentes do hospedeiro também está sub-representada.
  • "Uma comunidade de microrganismos (como bactérias, fungos e vírus) que habitam um ambiente específico e, especialmente, a coleção de microrganismos que vivem dentro ou sobre o corpo humano".[67]
  • "Projeto do Microbioma Humano (HMP): [...] O Microbioma Humano é a coleção de todos os microrganismos que vivem em associação com o corpo humano. Essas comunidades consistem em diversos microrganismos, incluindo eucariontes, arqueia, bactérias e vírus".[68]
Genômica/

orientada por métodos

 Existem várias definições de microbioma disponíveis, variando conforme os métodos aplicados. Na maioria das vezes, essas definições baseiam-se em análises sequenciais de DNA e descrevem o microbioma como um genoma coletivo de microrganismos em um ambiente específico. O principal obstáculo é que cada nova tecnologia disponível resulta na necessidade de uma nova definição.
  • "Os genomas coletivos de microrganismos que habitam um ambiente particular e, especialmente, o corpo humano".[67]
  • "O microbioma compreende todo o material genético de uma microbiota (todo o conjunto de microrganismos em um nicho específico, como o intestino humano). Também pode ser conhecido como o metagenoma da microbiota".[69]
  • "Microbioma é um termo que descreve o genoma de todos os microrganismos, simbióticos e patogênicos, que vivem em e sobre todos os vertebrados. O microbioma intestinal consiste no genoma coletivo de micróbios que habitam o intestino, incluindo bactérias, arqueia, vírus e fungos".[70]
  • "Diferentes abordagens para definir a população fornecem informações distintas. a | Microbiota: pesquisas de 16S rRNA são utilizadas para identificar taxonomicamente os microrganismos no ambiente. b | Metagenoma: os genes e genomas da microbiota, incluindo plasmídeos, destacando o potencial genético da população. c | Microbioma: os genes e genomas da microbiota, bem como os produtos da microbiota e do ambiente hospedeiro".[71]
  • "Totalidade dos genomas de uma microbiota. Frequentemente usado para descrever a entidade de traços microbianos (= funções) codificados por uma microbiota".[72]
Combinada Algumas definições de microbioma disponíveis se enquadram em várias categorias, com suas vantagens e desvantagens.
  • "Um microbioma é a comunidade ecológica de microrganismos comensais, simbióticos e patogênicos que, literalmente, compartilham nosso espaço corporal".[73]
  • "O microbioma é a soma dos micróbios e seus elementos genômicos em um ambiente particular".[74]
  • "Os genes e genomas da microbiota, bem como os produtos da microbiota e do ambiente do hospedeiro".[75]

Em 2020, um painel de especialistas internacionais, organizado pelo projeto MicrobiomeSupport financiado pela UE,[76] publicou os resultados de suas deliberações sobre a definição do microbioma.[1] O painel foi composto por cerca de 40 líderes de diversas áreas dos estudos de microbioma e cerca de cem outros especialistas de todo o mundo contribuíram por meio de uma pesquisa on-line. Eles propuseram uma definição de microbioma baseada no renascimento do que caracterizaram como a "descrição compacta, clara e abrangente do termo", tal como originalmente fornecida por Whipps et al. em 1988,[65] alterada com um conjunto de recomendações que consideram desenvolvimentos tecnológicos e descobertas de pesquisas subsequentes. Os termos microbioma e microbiota foram claramente distinguidos e fornecem uma discussão abrangente considerando a composição da microbiota, a heterogeneidade e a dinâmica dos microbiomas no tempo e no espaço, a estabilidade e a resiliência das redes microbianas, a definição de microbiomas centrais e espécies-chave funcionalmente relevantes, bem como princípios coevolucionários de interações micróbio-hospedeiro e entre espécies dentro do microbioma.[1]

BERJAYA
O termo "microbioma" abrange tanto a microbiota (comunidade de microrganismos) quanto o seu "teatro de atividade" (elementos estruturais, metabólitos/moléculas de sinalização e as condições ambientais circundantes)[1]

O painel expandiu a definição de Whipps et al., com todos os pontos importantes que são válidos mesmo mais de 30 anos após sua publicação em 1988, acrescentando dois parágrafos explicativos que diferenciam os termos microbioma e microbiota e destacam seu caráter dinâmico, como segue:

  • O microbioma é definido como uma comunidade microbiana característica que ocupa um habitat razoavelmente bem definido e possui propriedades físico-químicas distintas. O microbioma não se refere apenas aos microrganismos envolvidos, mas também engloba o seu teatro de atividade, o que resulta na formação de nichos ecológicos específicos. O microbioma, que forma um microecossistema dinâmico e interativo propenso a mudanças no tempo e na escala, está integrado em macroecossistemas, incluindo hospedeiros eucariontes, e é crucial para o seu funcionamento e saúde.[1]
  • A microbiota consiste no conjunto de microrganismos pertencentes a diferentes reinos (procariontes (bactérias, arqueia), eucariontes (algas, protozoários, fungos etc.), enquanto o seu "teatro de atividade" inclui estruturas microbianas, metabólitos, elementos genéticos móveis (como transposons, fagos e vírus) e DNA relíquia incorporado nas condições ambientais do habitat.[1]

Membros

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Microbiota

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A microbiota compreende todos os membros vivos que formam o microbioma. A maioria dos pesquisadores em microbioma concorda que bactérias, arqueias, fungos, algas e pequenos protistas devem ser considerados parte do microbioma.[63][1] A integração de bacteriófagos, vírus, plasmídeos e elementos genéticos móveis é uma questão mais controversa na definição de microbioma. Também não há um consenso claro se o DNA extracelular derivado de células mortas, o chamado “DNA relíquia” (relic DNA), pertence ou não ao microbioma.[77][1] O DNA relíquia pode corresponder a até 40% do DNA sequenciado em solos[78] e chegou a representar, em média, até 33% do DNA bacteriano total em uma análise mais ampla de habitats, alcançando a proporção máxima de 80% em algumas amostras.[79] Apesar de sua onipresença e abundância, o DNA relíquia apresenta efeito mínimo nas estimativas de diversidade taxonômica e filogenética.[79][1]

No tocante ao uso de termos específicos, uma diferenciação clara entre "microbioma" e "microbiota" ajuda a evitar controvérsias relacionadas aos membros do microbioma.[1] A microbiota costuma ser definida como o conjunto de microrganismos vivos presentes em um ambiente definido.[63] Como bacteriófagos, vírus, plasmídeos, príons, viroides e DNA livre normalmente não são considerados microrganismos vivos,[80] eles não pertencem à microbiota.[1]

O termo "microbioma", conforme originalmente proposto por Whipps et. al,[65] inclui não apenas a comunidade de microrganismos, mas também o seu "teatro de atividade". Este envolve todo o espectro de moléculas produzidas pelos microrganismos, incluindo elementos estruturais (ácidos nucleicos, proteínas, lipídios e polissacarídeos), metabólitos (moléculas sinalizadoras, toxinas e compostos orgânicos e inorgânicos), bem como moléculas produzidas pelos hospedeiros coexistentes e estruturadas pelas condições ambientais ao redor. Assim, todos os elementos genéticos móveis, como bacteriófagos, vírus e DNA relíquia ou extracelular, devem ser incluídos no termo "microbioma", embora não façam parte da microbiota. O termo "microbioma" também é, às vezes, confundido com metagenoma. O metagenoma, contudo, é claramente definido como a coleção de genomas e genes provenientes dos membros de uma microbiota.[63][1]

Estudos de microbioma também se concentram no comportamento de um grupo específico da microbiota, geralmente em relação a ou justificados por uma hipótese clara. Cada vez mais termos como bacterioma [en], arqueoma, micobioma ou viroma [en] aparecem na literatura científica, mas esses termos não se referem a biomas (um ecossistema regional com um conjunto distinto de organismos (micro) e ambiente físico, refletindo determinado clima e solo), como o próprio microbioma.[1] Consequentemente, seria mais adequado utilizar os termos originais (comunidade bacteriana, arqueiana ou fúngica). Em contraste com a microbiota, que pode ser estudada separadamente, o microbioma é sempre composto por todos os seus membros, que interagem entre si, vivem no mesmo habitat e formam conjuntamente o seu nicho ecológico. O termo bem estabelecido "viroma" deriva de "vírus" e "genoma" e é utilizado para descrever metagenomas virais do tipo shotgun, consistindo em uma coleção de ácidos nucleicos associados a um determinado ecossistema ou holobionte.[81] "Metagenomas virais" pode ser sugerido como um termo semântica e cientificamente mais adequado.[1]

Redes

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Redes de coocorrência ajudam a visualizar interações microbianas. Os nós geralmente representam táxons de microrganismos e as arestas representam associações estatisticamente significativas entre os nós. A testagem das hipóteses resultantes das análises de redes é necessária para um estudo abrangente das interações microbianas[1]
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Redes de coocorrência mostram diferenças na microbiota intestinal entre ciclídeos herbívoros e carnívoros. Nós coloridos conforme o filo. A rede de herbívoros apresenta maior complexidade (156 nós e 339 arestas) em comparação com a rede de carnívoros (21 nós e 70 arestas).

Os microrganismos interagem entre si e essas interações simbióticas têm consequências diversas para a aptidão microbiana, a dinâmica populacional e as capacidades funcionais dentro do microbioma.[82] As interações microbianas podem ocorrer entre microrganismos da mesma espécie ou entre diferentes espécies, gêneros, famílias e domínios da vida. As interações podem ser classificadas em positivas, negativas e neutras. As interações positivas incluem mutualismo, sinergismo e comensalismo. Já as negativas incluem amensalismo, predação, parasitismo, antagonismo [en] e competição. Interações neutras são aquelas em que não se observa efeito sobre as capacidades funcionais ou a aptidão das espécies interagentes.[83]

Os microbiomas exibem diferentes estratégias adaptativas.[1] Os oligotróficos são organismos capazes de viver em ambientes que oferecem níveis muito baixos de nutrientes, especialmente carbono. Eles se caracterizam por crescimento lento, baixas taxas metabólicas e, em geral, baixa densidade populacional. Ambientes oligotróficos incluem sedimentos oceânicos profundos, cavernas, gelo glacial e polar, solos subsuperficiais profundos, aquíferos, águas oceânicas e solos lixiviados. Por outro lado, os copiotróficos prosperam em concentrações muito mais elevadas de carbono e se desenvolvem bem em condições com alto teor de substrato orgânico, como lagoas de esgoto.[84][85]

Além das estratégias oligotróficas e copiotróficas, o modelo competidor-tolerante ao estresse-ruderal [en] pode influenciar os resultados das interações.[86] Por exemplo, microrganismos que competem pela mesma fonte podem também se beneficiar mutuamente quando competem pelo mesmo composto em diferentes níveis tróficos. A estabilidade de um ecossistema microbiano complexo depende de interações tróficas em torno do mesmo substrato, em diferentes níveis de concentração. Até 2020, as adaptações sociais microbianas na natureza haviam sido pouco estudadas.[1] Nesse contexto, marcadores moleculares podem fornecer indícios sobre adaptações sociais ao sustentar teorias, por exemplo, sobre altruístas [en] e exploradores em microbiomas naturais.[82][1]

Coevolução

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Mudança na compreensão da coevolução microbiana-hospedeira das teorias de "separação" para uma abordagem holística. Em uma abordagem holística, presume-se que os hospedeiros e suas microbiotas associadas coevoluíram entre si[1]

Conforme a abordagem da "separação", os microrganismos podem ser divididos em patógenos, neutros e simbiontes, dependendo de sua interação com o hospedeiro. A coevolução entre o hospedeiro e sua microbiota associada pode, assim, ser descrita como antagônica (baseada em interações negativas) ou mutualística (baseada em interações positivas).[1][87]

A partir de 2020, o aumento de publicações sobre patógenos oportunistas e patobiontes produziu uma mudança em direção a uma abordagem holística na teoria da coevolução. A abordagem holística considera o hospedeiro e sua microbiota associada como uma única unidade (o chamado holobionte), que coevolui como uma entidade única. Segundo essa abordagem, o estado de doença do holobionte está associado à disbiose, à baixa diversidade da microbiota associada e à sua variabilidade, caracterizando um chamado patobioma. O estado saudável, por outro lado, está associado à eubiose, com alta diversidade e uniformidade da respectiva microbiota.[1]

Tipos

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Terrestre

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Vegetal

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O microbioma vegetal [en] desempenha papéis fundamentais na saúde das plantas e na produção de alimentos, tendo recebido atenção significativa nos últimos anos.[88][89] As plantas vivem associadas a diversos consórcios microbianos e esses microrganismos, denominados microbiota vegetal, vivem tanto no interior (a endosfera) quanto no exterior (a episfera) dos tecidos vegetais e exercem funções importantes na ecologia e na fisiologia das plantas.[90] "Acredita-se que o microbioma vegetal central seja composto por táxons microbianos-chave importantes para a aptidão da planta e estabelecidos por mecanismos evolutivos de seleção e enriquecimento de táxons microbianos contendo genes de funções essenciais para a aptidão do holobionte vegetal".[91]

Microbiomas no ecossistema vegetal
Microbiomas no ecossistema vegetal[92]

Os microbiomas vegetais são moldados tanto por fatores relacionados à própria planta, como genótipo, órgão, espécie e estado de saúde, quanto por fatores relacionados ao ambiente da planta, como manejo, uso da terra e clima.[93] O estado de saúde de uma planta é relatado, em alguns estudos, como refletido ou associado ao seu microbioma.[94][88][95][89]

A microbiota associada às plantas coloniza diferentes nichos sobre e dentro dos tecidos vegetais. Todas as partes aéreas da planta em conjunto, denominadas filosfera [en], constituem um habitat em constante evolução devido à radiação ultravioleta (UV) e às variações climáticas. As partes subterrâneas da planta, principalmente as raízes, são geralmente influenciadas pelas propriedades do solo. Interações prejudiciais afetam o crescimento vegetal por meio das atividades patogênicas de alguns membros da microbiota. Por outro lado, interações microbianas benéficas promovem o crescimento das plantas.[92]

A adição de fertilizante nitrogenado sintético pode ter pouco impacto na estrutura ou composição do microbioma do solo, mas reduz drasticamente a conectividade das redes do microbioma.[96]

Animal

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Análise de coordenadas principais de dados do microbioma intestinal animal[97]

O microbioma intestinal dos mamíferos se destacou como um regulador essencial da fisiologia do hospedeiro[98] e a coevolução entre as linhagens do hospedeiro e dos micróbios desempenhou um papel fundamental na adaptação dos mamíferos aos seus diversos estilos de vida. A dieta, especialmente a herbívora, é um correlato importante da diversidade microbial em mamíferos.[99][100] A maioria dos microbiomas de mamíferos também está fortemente correlacionada com a filogenia do hospedeiro, apesar de mudanças drásticas na dieta.[99][101][102][103] Isso sugere que fatores do hospedeiro que mudam ao longo da filogenia, como a fisiologia intestinal, desempenham um papel importante na estruturação dos microbiomas intestinais entre os mamíferos. Especula-se até que o sistema imune adaptativo dos vertebrados tenha evoluído justamente como um desses fatores para a manutenção seletiva da homeostase simbiótica.[104][97]

A importância de fatores correlacionados à filogenia para a diversidade dos microbiomas de vertebrados, de forma mais geral, ainda é pouco compreendida. A filossimbiose, ou a observação de que espécies hospedeiras mais próximas possuem microbiomas mais semelhantes,[105][106] foi descrita em vários táxons não mamíferos.[107][108] Outras análises encontraram variações consideráveis nos sinais filossimbióticos entre táxons de mamíferos,[109] por vezes com resultados conflitantes.[110][111] A presença de uma correlação filossimbiótica robusta implica que fatores do hospedeiro controlam a montagem microbiana. Mesmo que os mecanismos específicos sejam desconhecidos, a variação na força ou presença de um sinal filossimbiótico mensurável através da filogenia do hospedeiro pode ser útil para identificar tais mecanismos mediante estudos comparativos. No entanto, até 2020, a maioria dos estudos focou em apenas alguns táxons de cada vez e métodos variáveis tanto para o levantamento do microbioma quanto para a medição da filossimbiose e especificidade do hospedeiro (ou a restrição de micróbios a linhagens específicas de hospedeiros) dificultaram as generalizações.[97]

Sem um contexto evolutivo mais amplo, não está claro o quão universalmente conservados são os padrões de filossimbiose hospedeiro-micróbio. Algumas evidências indicam que os padrões fortes identificados em mamíferos são a exceção e não a regra nos vertebrados. Metanálises de peixes[112] e aves[113] falharam em detectar a intensidade das correlações com a dieta e a filogenia relatadas em mamíferos. Em 2019, uma análise de amostras de mais de 100 espécies de vertebrados também descobriu que a intensidade da correlação filogenética é muito maior em mamíferos do que em aves, répteis, anfíbios ou peixes.[114] Em animais não vertebrados, está cada vez mais claro que aspectos fundamentais da relação do hospedeiro com sua comunidade simbiótica podem mudar drasticamente entre os táxons: muitos insetos dependem totalmente de micróbios para metabólitos essenciais, enquanto outros parecem ser desprovidos de micróbios intestinais residentes.[115][97]

Humano

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O microbioma humano é o conjunto de toda a microbiota que reside nos tecidos e fluidos corporais humanos, juntamente com os locais anatômicos correspondentes em que residem,[116] incluindo a pele, glândulas mamárias, fluido seminal, útero, folículos ovarianos, pulmão, saliva, mucosa oral, conjuntiva, trato biliar e o trato gastrointestinal humano. Os tipos de microbiota humana incluem bactérias, arqueias, fungos, protistas e vírus. Embora microanimais também possam viver no corpo humano, eles costumam ser excluídos desta definição. No contexto da genômica, o termo "microbioma humano" é utilizado para se referir ao conjunto de genomas dos microrganismos residentes[117] e o termo "metagenoma humano" possui o mesmo significado.[116]

Os seres humanos são colonizados por muitos microrganismos, com quase a mesma ordem de magnitude de células não humanas e células humanas.[118] Alguns microrganismos que colonizam os humanos são comensais, o que significa que coexistem sem prejudicar ou beneficiar os seres humanos, outros possuem uma relação mutualística com seus hospedeiros humanos.[117]:700[119] Por outro lado, alguns microrganismos não patogênicos podem prejudicar os hospedeiros humanos através dos metabólitos que produzem, como a trimetilamina, que o corpo humano converte em N-óxido de trimetilamina através da oxidação mediada pela FMO3 [en].[120][121] Certos microrganismos realizam tarefas conhecidas por serem úteis ao hospedeiro humano, mas o papel da maioria deles não é bem compreendido. Aqueles que se espera que estejam presentes e que, em circunstâncias normais, não causam doenças, às vezes são denominados "flora normal" ou "microbiota normal".[117]

O Projeto do Microbioma Humano (HMP) assumiu a missão de sequenciar o genoma da microbiota humana, focando principalmente na microbiota que habita normalmente a pele, boca, nariz, trato digestivo e vagina.[117] O projeto alcançou um marco em 2012, quando publicou seus resultados iniciais.[122]

Marinho

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Geralmente, considera-se que as relações existem em um estado simbiótico e estão normalmente expostas a fatores ambientais e específicos do animal que podem causar variações naturais. Alguns eventos podem alterar a relação para um estado simbiótico funcional, mas alterado, enquanto eventos de estresse extremo podem causar disbiose ou o colapso da relação e das interações.[123]

Todos os animais na Terra formam associações com microrganismos, incluindo protistas, bactérias, arqueias, fungos e vírus. No oceano, as relações entre animais e micróbios foram estudadas em sistemas de hospedeiro-simbionte único. No entanto, novas investigações sobre a diversidade de microrganismos associados a diversos hospedeiros animais marinhos moveram o foco para estudos que abordam interações entre o hospedeiro animal e um microbioma multimembro. O potencial dos microbiomas de influenciar a saúde, fisiologia, comportamento e ecologia dos animais marinhos poderia alterar a compreensão atual de como esses animais se adaptam às mudanças, especialmente às crescentes alterações climáticas e antropogênicas que já impactam o ambiente oceânico.[123] Os microbiomas de diversos animais marinhos estão sob estudo, desde organismos simples, incluindo esponjas[124] e ctenóforos,[125] até organismos mais complexos, como ascídias[126] e tubarões.[127][123]

A relação entre Euprymna scolopes [en] e a bactéria bioluminescente Aliivibrio fischeri é uma das relações simbióticas mais bem estudadas no mar e é um sistema de escolha para a pesquisa geral de simbiose. Essa relação forneceu informações sobre processos fundamentais em simbioses animal-microbianas, especialmente interações bioquímicas e sinalização entre o hospedeiro e a bactéria.[128][129][123]

O verme oligoqueta marinho sem intestino Olavius algarvensis [en] é outro hospedeiro marinho de micróbios bem estudado. Estes vermes de três centímetros de comprimento residem em sedimentos marinhos rasos do Mar Mediterrâneo e não possuem boca, sistema digestivo ou excretor, mas são nutridos com a ajuda de um conjunto de endossimbiontes bacterianos extracelulares que dependem do uso coordenado de enxofre presente no ambiente.[130] Este sistema foi beneficiado por algumas das ferramentas de ômica e visualização mais sofisticadas.[131] Por exemplo, a sondagem com múltiplas marcações melhorou a visualização do microbioma[132] e a transcritômica e proteômica são aplicadas para examinar as interações hospedeiro-microbioma, incluindo a transferência de energia entre o hospedeiro e os micróbios[133] e o reconhecimento dos consórcios pelo sistema imunitário inato do verme.[134] A principal vantagem deste sistema é que ele oferece a capacidade de estudar interações hospedeiro-microbioma com um consórcio microbiano de baixa diversidade, além de oferecer diversos recursos genômicos do hospedeiro e dos micróbios.[131][135][123]

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Colônia de coral Stylophora pistillata e células da bactéria Endozoicomonas (Ez) sondadas (amarelo) dentro dos tentáculos de S. pistillata residindo em agregados (Ez agg), bem como logo fora do agregado (b).[136]

Os corais são um dos exemplos mais comuns de um hospedeiro animal cuja simbiose com microalgas pode se transformar em disbiose, sendo visivelmente detectada como o branqueamento. Microbiomas de corais foram examinados em diversos estudos, que demonstram como variações no ambiente oceânico, especialmente temperatura, luz e nutrientes inorgânicos, afetam a abundância e o desempenho das microalgas simbiontes, bem como a calcificação e a fisiologia do hospedeiro.[137] Estudos também sugeriram que bactérias, arqueias e fungos residentes contribuem para o ciclo de nutrientes e matéria orgânica dentro do coral, com os vírus possivelmente desempenhando um papel na estruturação da composição desses membros, fornecendo assim um dos primeiros vislumbres de uma simbiose de animal marinho de múltiplos domínios.[138] A gammaproteobacteria Endozoicomonas se destaca como um membro central do microbioma do coral, apresentando flexibilidade em seu estilo de vida.[136][139] Devido ao recente branqueamento em massa ocorrendo nos recifes,[140] os corais podem continuar sendo um sistema útil e popular para pesquisas sobre simbiose e disbiose.[123]

As esponjas são membros comuns dos diversos habitats bentônicos do oceano e sua abundância e capacidade de filtrar grandes volumes de água do mar levaram à percepção de que esses organismos desempenham papéis críticos na influência dos processos bentônicos e pelágicos no oceano.[141] Elas são uma das linhagens mais antigas de animais e possuem um plano corporal relativamente simples que costuma se associar a bactérias, arqueias, algas protistas, fungos e vírus.[142] Os microbiomas das esponjas são compostos de especialistas e generalistas e a complexidade de seu microbioma parece ser moldada pela filogenia do hospedeiro.[143] Estudos demonstram que o microbioma da esponja contribui para o ciclo de nitrogênio nos oceanos, especialmente através da oxidação de amônia por arqueias e bactérias.[144][145] Em estudos da década de 2010, demonstrou-se que simbiontes microbianos de esponjas tropicais produzem e armazenam grânulos de polifosfato,[146] talvez permitindo que o hospedeiro sobreviva a períodos de esgotamento de fosfato em ambientes marinhos oligotróficos.[147] Os microbiomas de algumas espécies de esponjas parecem mudar sua estrutura de comunidade em resposta a condições ambientais variáveis, incluindo temperatura[148] e acidificação oceânica,[149][150] bem como impactos sinérgicos.[151]

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Coleta de uma amostra de jorro de uma baleia-azul usando um drone[152]
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Abundância de classes bacterianas de amostras de jorro de baleia, ar e água do mar.[153]

Os microbiomas de cetáceos podem ser difíceis de avaliar devido às dificuldades de acesso às amostras microbianas, por exemplo, muitas espécies de baleias são raras e realizam mergulhos profundos. Existem diferentes técnicas para amostragem do microbioma intestinal de um cetáceo, a mais comum é a coleta de amostras fecais do ambiente e a retirada de uma sonda do centro não contaminado.[154] A pele é uma barreira que protege os mamíferos marinhos do mundo exterior e o microbioma epidérmico na pele é um indicador da saúde do animal, além de um indicador ecológico do estado do ambiente circundante. Saber como é o microbioma da pele de mamíferos marinhos sob condições típicas permite entender como essas comunidades diferem das comunidades microbianas livres encontradas no mar.[155] Os cetáceos estão em perigo porque são afetados por muitos fatores de estresse que os tornam mais vulneráveis a várias doenças. Eles têm alta suscetibilidade a infecções das vias aéreas, mas pouco se sabe sobre seu microbioma respiratório. A amostragem do ar exalado ou "jorro" dos cetáceos pode fornecer uma avaliação de seu estado de saúde, uma vez que este é composto por uma mistura de microrganismos e matéria orgânica, incluindo lipídios, proteínas e detritos celulares derivados do revestimento das vias aéreas que, quando liberados no ar exterior relativamente mais frio, condensam-se para formar uma massa visível de vapor, que pode ser coletada. Existem vários métodos para coletar amostras de ar exalado, sendo um dos mais recentes o uso de drones. Este método fornece uma alternativa mais segura, silenciosa e menos invasiva, além de ser geralmente uma opção econômica para o monitoramento da fauna e flora. As amostras de jorro são levadas ao laboratório onde a microbiota do trato respiratório é amplificada e sequenciada. O uso de drones é mais bem-sucedido com grandes cetáceos, devido às baixas velocidades de natação e ao maior volume do jorro.[156][157][152][158]

Avaliação

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Os métodos disponíveis para o estudo de microbiomas, conhecidos como multiômica [en], variam desde o isolamento de alto rendimento (culturômica) e visualização (microscopia), até o direcionamento da composição taxonômica (codificação metabólica) ou a abordagem do potencial metabólico (codificação metabólica de genes funcionais, metagenômica) para analisar a atividade microbiana (metatranscritômica [en], metaproteômica [en], metabolômica). Com base em dados metagenômicos, genomas microbianos podem ser reconstruídos. Embora os primeiros genomas montados a partir de metagenomas (MAGs) tenham sido reconstruídos de amostras ambientais,[159] nas últimas décadas, milhares de genomas bacterianos foram agrupados sem a necessidade de cultivar os organismos subjacentes. Por exemplo, 154.723 genomas microbianos do microbioma humano global foram reconstruídos em 2019 a partir de 9.428 metagenomas.[160][1]

A modelagem computacional de microbiomas é usada para complementar métodos experimentais na investigação da função microbiana, utilizando dados multiômicos [en] para prever dinâmicas complexas entre espécies e entre hospedeiro e espécies.[161][162] Um método in silico comum consiste em combinar modelos de redes metabólicas [en] de táxons microbianos presentes em uma comunidade e usar uma estratégia de modelagem matemática, como a análise de balanço de fluxo, para prever a função metabólica da comunidade microbiana tanto no nível de táxon quanto no nível de comunidade.[163][164]

Em 2020, o entendimento ainda era limitado devido à falta de conexões entre a enorme disponibilidade de dados de sequenciamento de DNA de microbiomas, por um lado, e a disponibilidade limitada de isolados microbianos necessários para confirmar as previsões metagenômicas da função gênica, por outro.[1] Os dados metagenômicos são um campo fértil para novas previsões, mas são necessários muito mais dados para fortalecer os vínculos entre sequência e previsões funcionais rigorosas, o que fica evidente ao considerar que a substituição de um único resíduo de aminoácido por outro pode levar a uma mudança funcional radical, resultando em uma atribuição funcional incorreta a uma sequência gênica ezspecífica.[165] Além disso, o cultivo de novas cepas é necessário para ajudar a identificar a grande quantidade de sequências desconhecidas obtidas de análises metagenômicas, que para ecossistemas pouco estudados pode ser superior a 70%. Dependendo do método aplicado, mesmo em microbiomas bem estudados, 40-70% dos genes anotados em genomas microbianos totalmente sequenciados não possuem função conhecida ou prevista.[166] Até 2019, 85 dos 118 filos estabelecidos não tinham uma única espécie descrita, apresentando um desafio para a compreensão da diversidade funcional procariótica.[167][1]

O número de filos procarióticos pode chegar a centenas e os de arqueias estão entre os menos estudados.[167] A crescente discrepância entre a diversidade de Bacteria e Archea mantidas em cultura pura e aquelas detectadas por métodos moleculares levou à proposta de estabelecer uma nomenclatura formal para táxons ainda não cultivados, baseada principalmente em informações de sequência.[168][169] De acordo com esta proposta, o conceito de espécie Candidatus seria estendido a grupos de sequências genômicas intimamente relacionadas e seus nomes seriam publicados seguindo as regras já estabelecidas da nomenclatura bacteriana.[1]

Cada sistema de microbioma é adequado para abordar diferentes tipos de questões com base na culturabilidade dos micróbios, na tratabilidade genética dos micróbios e do hospedeiro (quando relevante), na capacidade de manter o sistema em ambiente laboratorial e na capacidade de tornar o hospedeiro ou o ambiente livre de germes.[170]

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Ver também

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Referências

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    Microbioma
    Este termo refere-se a todo o habitat, incluindo os microrganismos (bactérias, arqueias, eucariotos inferiores e superiores e vírus), seus genomas (ou seja, genes) e as condições ambientais circundantes. Esta definição baseia-se na definição de “bioma”, os fatores bióticos e abióticos de determinados ambientes. Outros especialistas na área limitam a definição de microbioma ao conjunto de genes e genomas dos membros de uma microbiota. Argumenta-se que essa é a definição de metagenoma, que, combinado com o ambiente, constitui o microbioma.
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