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Bacterias intestinales “buenas”, permiten la regeneración neuronal

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Gusano Caenorhabditis elegans visto a través del microscopio de fluorescencia (Laboratorio de Dra. Andrea Calixto).

¿Cómo mantener saludable nuestro cerebro y protegerlo de las enfermedades degenerativas?

Además del ejercicio físico y mental, una dieta balanceada es fundamental para un apropiado desarrollo de nuestras funciones fisiológicas. Nuestro sistema digestivo esta lleno de bacterias que absorben y producen moléculas esenciales en nuestro organismo, y principalmente nuestro cerebro. Científicos del Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso recientemente descubrieron las moléculas que algunas bacterias de nuestro intestino y en la naturaleza producen y evitan que las neuronas se mueran.

Para ello utilizaron un pequeño gusano que se alimenta de bacterias llamado Caenorhabditis elegans. En este gusano observaron como variaba la muerte de una neurona dependiendo de la bacteria ingerida. El gusano C. elegans ha sido ampliamente usado como modelo animal para estudiar diabetes en los humanos, muerte neuronal, envejecimiento entre muchos otros procesos. Esto es posible ya que los procesos celulares y moleculares que comandan el funcionamiento de los seres vivos son similares en el reino animal. Las seis neuronas particulares que estudiaron pertenecen a un circuito relacionado con el tacto  suave y poseen receptores iguales a los receptores de dolor en humanos. Cuando estas neuronas mueren el gusano se vuelve insensible.

Los animales que se alimentan de bacterias con GABA conservan y regeneran sus neuronas rotas (neurona completa en verde). Las bacterias sin GABA no son capaces de proteger neuronas degeneradas (neuronas incompletas en rojo).

Estudiar el efecto de una sola bacteria a la vez en el intestino de un mamífero es muy complejo, por los elevados costos de mantenimiento de los animales “libres de gérmenes” por muchas semanas. Además, los mamíferos libres de gérmenes tienen ostensibles problemas en su desarrollo dada la importancia de la microbiota (conjunto de microrganismos que viven en el intestino). En cambio, el gusano nemátodo C. elegans puede ser alimentado con una bacteria de interés sin interferencia de otras. Adicionalmente, tiene necesidades de mantenimiento muy sencillas, un ciclo de vida muy rápido, se reproduce en grandes cantidades y crece en cultivos de una sola cepa bacteriana. Gracias a esto se puede discernir de una manera más detallada el efecto de cada bacteria en la fisiología del gusano.

Dra. Andrea Calixto

El equipo de la Dra Andrea Calixto, investigadora del CINV, examinó el efecto que una gran cantidad de bacterias de distintas especies producían en la protección y regeneración de las neuronas del gusano. Los científicos demostraron que bacterias muy parecidas, podían producir moléculas con efectos muy diferentes sobre la sobrevivencia y recuperación de las neuronas en el gusano. Así eligieron una bacteria “buena” y una “mala” basado en sus efectos sobre la protección neuronal. Para identificar cuales son las moléculas neuroprotectoras, compararon los genes de cada una y los metabolitos (molécula utilizada o producida durante el metabolismo) que estas producían. Entre las moléculas más relevantes que promueven los efectos regenerativos encontraron un neurotransmisor (molécula que actúa como mensajero entre neuronas) conocido como ácido gamma aminobutírico, o por sus siglas en inglés GABA, el cual es fundamental para mantener el balance entre excitación e inhibición en el cerebro humano. Para ello analizaron los genes de cada bacteria y encontraron que a pesar de que los genes para la producción del GABA fueran comunes, los genes que regulaban la expresión no funcionaban de la misma manera en las bacterias que no promueven la sobrevivencia neuronal.

Este hecho fue además corroborado mediante el uso de un resonador magnético nuclear que permite identificar las diferentes moléculas que produce cada bacteria, donde se pudo detectar de forma fehaciente que la bacteria “buena” contenía niveles elevados de GABA. Este procedimiento fue realizado con la colaboración y apoyo de los investigadores de CONICET de Rosario, en Argentina. La segunda molécula hallada más relevante fue el ácido láctico, conocido por su participación en calambres y espasmos musculares.

Autores del estudio. De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Arles Urrutia, Andrea Calixto, Andres Fuentes, Sebastian Urquiza, Mauricio Caneo, Paula Burdisso (Argentina), Scarlett Delgado, Marcela Legüe, Victor Garcia.

Esta bacteria “buena” que mostró promover la sobrevivencia de las neuronas es una cepa de Escherichia coli. Esta bacteria a la vez que es neuroprotectora, también disminuye el estrés celular que esta mediado por una proteína llamada FOXO que es análoga entre humanos y gusanos. Estos resultados revelan que el proceso de neuroprotección inducido por las moléculas bacterianas actúa de manera sistémica en el animal, es decir, que activa la respuesta al estrés en otros tejidos, como el intestino, e induce la activación de señales moleculares intercelulares para contener el estrés en el sistema/organismo y dirigir los esfuerzos a la recuperación de esa neurona.

Para finalizar, debemos hacer hincapié en cómo las funciones de nuestro cerebro pueden tener una estrecha relación con lo que ocurre en nuestro sistema digestivo. El presente estudio lo ejemplifica usando un pequeño gusano que comparte gran parte de sus genes, proteínas y muchas de sus funciones celulares con nosotros. Importantemente, la producción de ácido láctico y GABA es una de las funciones bacterianas más necesarias en nuestros intestinos y su disminución ha sido asociada con trastornos como la depresión y la ansiedad. Así, a modo de corolario, es fundamental conocer los alimentos y bacterias que desde nuestros intestinos promueven una sana actividad en nuestros cerebros.

Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista PLOS BIOLOGY el 24 de marzo de 2020

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