Cross Feeding

Imagina una fiesta donde nadie trajo comida, pero todos pueden comer las sobras del vecino. Y lo mejor, nadie organiza nada. Algo así es el cross-feeding o sintrofismo microbiano.

Este sistema de alimentación es sutilmente diferente a las relaciones presa-depredador a las que los documentales nos tienen acostumbrados, pero algunas cuestiones básicas se mantienen. Por ejemplo, los organismos absorben nutrientes para extraer energía que les permita crecer, reproducirse y responder a estímulos. A su vez, deben eliminar desechos que podrían resultar tóxicos si se acumulan. Estos mismos desechos moldean el ambiente, y son determinantes para que se de la vida de unas especies más que otras. Esto resulta muy intuitivo, dado que la mayoría de nosotros sabe que no hay osos polares en el desierto del Sahara. Pero, ¿cómo gestionan los nutrientes y desechos los microorganismos que coexisten en un tubo cerrado y sin oxígeno como el intestino?

Mientras realizaba una lectura inspiradora, para escribir este artículo, del profesor Sonnenburg de Stanford, cometí un serio error de lectura gracias a mi dislexia, y en vez de leer sintrófico, leí en su lugar sinfónico. Intento ser muy cuidadosa cuando aplico metáforas humanizantes a las descripciones biológicas de otras especies o la nuestra, y quizá su inadecuación sea un buen punto de partida. ¿Por qué sería inadecuado decir que los microorganismos que forman parte de nuestra microbiota se comportan como una sinfonía? Para comenzar carecen de una partitura, siendo capaces de improvisar que utilizan para nutrirse, y por otra parte carecen de director de orquesta, resultando completamente coordinado mediante la autogestión de sus componentes.

El concepto sintrófico hace referencia a la interdependencia de los microorganismos para resolver sus necesidades de producción de energía, eliminación de desechos y modificación del medio ambiente. Es decir se comportan como cooperativas metabólicas, en donde unos utilizan como sustratos los desechos de los otros. Por si esto no alcanzara, una gran parte de los microorganismos posee varias rutas metabólicas (es decir puede escoger diferentes caminos enzimáticos) y activa o inactiva las mismas según lo que hacen sus compañeros de piso. Esto lo pueden hacer porque poseen genes que les permiten codificar las moléculas necesarias para activar una u otra vía.

Cuando los humanos ingerimos alimentos, los mismos son masticados y sometidos a la acción de enzimas salivales, posteriormente son deglutidos. Comenzarán así un largo viaje que utilizará ácido, movimientos mecánicos y más enzimas para romper enlaces moleculares hasta conseguir productos más sencillos que se podrán absorber mediante receptores específicos en el intestino delgado. Así es que absorbemos la mayor parte de la glucosa, la fructosa, las proteínas y los lípidos. Los elementos que no se absorben continúan su tránsito hacia la última parte del intestino, el colon, y son los que estarán a disposición de la microbiota para nutrirse.

Si pensamos en los microorganismos desde su capacidad nutricional, podemos destacar por número y relevancia a los llamados fermentadores primarios, que se nutren principalmente de polisacáridos y oligosacáridos derivados de la dieta o de la secreción mucosa del propio huésped.

No todos los microorganismos fermentadores pueden fermentar cualquier azúcar, tanto lo que comemos, como las capacidades metabólicas de los distintos grupos bacterianos, impulsarán las posibilidades de unos u otros grupos, resultando en cambios sobre la abundancia relativa de los mismos.

A su vez un grupo bacteriano puede activar diferentes rutas metabólicas y por tanto generar diferentes productos metabólicos y así condicionar el desarrollo de especies que metabolizan mejor unos u otros productos de forma secundaria.

El hecho de que la inulina de una cebolla se convierta en butirato, propionato, lactato o acetato puede influir enormemente en las transformaciones metabólicas posteriores y ayudar a determinar qué síntrofos tienen más probabilidades de proliferar. Así también definirá sus vínculos con el huésped, ya que el butirato es utilizado directamente por las células del colon (colonocitos) como sustrato energético, además de regular la secreción de moco y del estado de inflamación de la pared del colon.

Un ejemplo de convivencia

Un microorganismo de gran relevancia en la microbiota tanto por su número, sus funciones o relaciones con el huésped u otros microorganismos es Bacteroides thetaiotaomicron, (que llamaremos el griego para que el lector no abandone la lectura). Es un fermentador primario, degrada moléculas de azúcares complejos (que los humanos carecen de herramientas para degradar) y las convierte en azúcares de una única molécula (monosacáridos) posteriormente degrada éstos monosacáridos, a través de una de las tres vías glucolíticas para producir un intermediario, el PEP, seguida de la conversión de PEP en productos finales de fermentación como un ácido orgánico, o un alcohol. Pondremos algunos ejemplos de cómo el griego es capaz de modificar sus nutrientes dependiendo de qué microorganismos se acompañe.

Un experimento realizado en ratones con microbiota controlada mostró que cuando conviven “el griego” y otro fermentador primario como Bifidobacterium longum, ambos experimentan repartición de nutrientes, regulando la expresión de enzimas para el procesamiento de xilanos y manosas. Ocurriendo sinergismo y competencia, simultáneamente.

Otro estudio en el que “el griego” se emparejó con un representante del filo Firmicutes, Eubacterium rectale, muestra de manera similar ajustes de nutrientes por parte de las dos especies. En presencia del “griego”, E. rectale se aleja del uso de glicanos complejos y aumenta la importación de carbohidratos simples y aminoácidos. El ajuste es mutuo, porque E. rectale impacta la estrategia del “griego” que aumenta la expresión de enzimas glicósido hidrolasas explotando nuevos nichos de carbohidratos. Las tipos de carbohidratos que consume “el griego” durante sus ajustes de convivencia fueron distintas cuando se combinaron con B. longum o E. rectale, cada una de estas dos especies que cohabitan aumenta la diversidad de sustratos de azúcares que consume “el griego”.

Methanobrevibacter smithii, la arquea metanógena con más presencia en el colon, está poco equipada para degradar carbohidratos pero consume productos finales de fermentación y disminuye la diversidad de sustratos de carbohidratos a los que “el griego” accede; esta contracción de nicho inducida por el metanógeno contrasta marcadamente con las asociaciones explicadas anteriormente.

En conjunto, estos estudios revelan cómo la pertenencia a una comunidad, los aportes de carbohidratos y la naturaleza de los vínculos metabólicos entre especies son fundamentales para determinar el resultado funcional de un conjunto determinado de genes (en este caso, los de B. thetaiotaomicron,“el griego”).

Servicio de basura vs servicio de compostaje

Con abundante moco al que adherirse, una temperatura bien regulada y una comida caliente cada pocas horas, el intestino parecería un lugar ideal para vivir. Pero hay un inconveniente, el intestino no tiene O₂ para sustentar la respiración aeróbica, ni hay niveles suficientes de otros aceptores terminales de electrones como el nitrato y el sulfato. El hidrógeno molecular (H₂) es liberado durante el proceso de fermentación actuando como sumidero de electrones. Si el H₂ se acumula, se ralentiza la fermentación y el crecimiento bacteriano. Por lo tanto, los microbios que consumen H₂, como los acetógenos, los metanógenos y las bacterias reductoras de sulfato, desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la eficiencia metabólica de los fermentadores primarios. El H₂ es un importante mediador entre especies, su consumo se acompaña del agotamiento y la producción de ácidos orgánicos y otros metabolitos. Dependiendo de qué microorganismos sean responsables del consumo de H2, pueden resultar diversas influencias en la biología del huésped, desde la obtención de calorías, en el caso de la producción de acetato, hasta efectos genotóxicos en el caso del H₂S, pudiendo dañar el ADN de los colonocitos y aumentar las posibilidades de desarrollar cáncer colorrectal.

Los metanógenos como Methanobrevibacter smithii consumen H₂, liberando metano que es relativamente inerte, lo que proporciona un valioso servicio a los fermentadores primarios. De manera similar, los acetógenos, como Blautia hydrogenotrophica, consumen H₂, pero lo convierten en acetato. Roseburia intestinalis es capaz de producir butirato a partir de acetato viéndose potenciada con los aumentos del mismo.

Así, mientras que los metanógenos sirven como un fiel servicio de recolección de desechos para los fermentadores primarios, los acetógenos recogen los desechos, los convierten en compost y devuelven un valioso producto metabólico.

B. hydrogenotrophica carece de herramientas para digerir azúcares complejos lo que sugiere que su nicho dentro de la microbiota es una sintrofia con bacterias fermentadoras primarias como “el griego”, de hecho cuando cohabitan la densidad de B. hydrogenotrophica aumenta 1000 veces en comparación con la colonización en ausencia del fermentador primario. En su presencia B. hydrogenotrophica expresa la vía metabólica de consumo de H₂, lo que sugiere una transformación favorable para la fermentación dentro del ecosistema.

Hemos visto cómo los recursos enzimáticos microbianos procesan sustratos dietéticos no absorbibles, transformándolos en energía para sí mismos y metabolitos necesarios para el ser humano. El intercambio metabólico entre especies permite el desarrollo de ecosistemas estables y resilientes, capaces de recuperarse de disrupciones transitorias del medio ambiente en el que se desarrollan. Esta capacidad de la microbiota de mantenerse saludable y en equilibrio es fundamental para la salud humana.

Pero, ¿qué podemos hacer para proteger a nuestros simbiontes?

La respuesta más sencilla es: cuidar lo que nos llevamos a la boca.

Ingiriendo carbohidratos complejos en forma de frutas y verduras que estimulan el desarrollo de microorganismos con interacciones favorables para nosotros. Evitando ingerir lípidos en exceso que alteran la absorción de oxígeno por los colonocitos, aumentando en la luz intestinal e inhibiendo a los fermentadores. Evitar tomar antibióticos por infecciones respiratorias de origen viral. O evitando la ingesta involuntaria de aditivos y contaminantes alimentarios que también sabemos que son disruptores de la microbiota.

Cuidar nuestra microbiota está en nuestras manos.

Bibliografía

Berretta, A., & Schwab, C. (2025). Fermentation-driven interactions of gut microbes with their environment. Essays in biochemistry, 69(6), EBC20253057. https://doi.org/10.1042/EBC20253057

Fischbach, M. A., & Sonnenburg, J. L. (2011). Eating for two: how metabolism establishes interspecies interactions in the gut. Cell host & microbe, 10(4), 336-347.

Lee, J.-Y., Bays, D. J., Savage, H. P., & Bäumler, A. J. (2024). The human gut microbiome in health and disease: time for a new chapter?. Infection and immunity, 92(11), e0030224. https://doi.org/10.1128/iai.00302-24