El microbioma (conjunto de microbios que viven en el intestino humano) se ha estudiado hasta ahora aislando y cultivando bacterias por las técnicas convencionales, lo que tiene el problema de que solo algunas bacterias crecen en cultivo. Ahora, el Proyecto Microbioma Humano usa un enfoque metagenómico, consistente en extraer todo el ADN y secuenciarlo en masa, al estilo de lo que se lleva haciendo unos años con el agua de mar. Los científicos empiezan a descubrir así las enzimas y rutas metabólicas que son importantes para los humanos, sobre todo para generar aminoácidos, los componentes de las proteínas.

La investigación del microbioma no solo tiene un interés básico. La composición de nuestras bacterias intestinales afecta a la maduración del sistema inmune humano, y es un factor relevante en el desarrollo de las enfermedades no solo gastrointestinales, sino también cardiovasculares. Sus relaciones con el cáncer y la diabetes están sometidas a investigación activa.

Todo esto quedó atrás y vamos hacia el futuro de la Biología

Emily Balskus y su grupo del departamento de biología química de la Universidad de Harvard, junto a colegas del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, también en Boston) y el Instituto Broad, uno de los nodos del proyecto genoma, han desarrollado una nueva técnica llamada enzimología genómica, y presentan sus resultados en Science.

Como todo en biología, las enzimas (proteínas que catalizan reacciones químicas) se agrupan en superfamilias, o grandes grupos de decenas de miles de enzimas relacionadas por su origen común. También suelen compartir aspectos de su mecanismo, pero solo en un sentido profundo de su lógica química que no revela de inmediato su función metabólica concreta, su lugar exacto en el laberinto de reacciones que conforma la cocina de cualquier célula viva. Balskus y sus colaboradores han logrado utilizar los datos masivos del metagenoma de 378 personas, y las poderosas matemáticas de la genómica, para averiguar la función exacta de las enzimas más importantes. Esa es la nueva enzimología genómica.

La técnica funciona de manera similar a la construcción de un árbol genealógico, y produce redes de similitud de secuencia (sequence similarity networks, SSN). Al igual que el ADN, las proteínas son textos o secuencias, que se pueden comparar entre sí como dos frases o dos cadenas de números. Los algoritmos de comparación generan árboles evolutivos, donde cada rama agrupa unas secuencias tan similares que es muy probable que tengan la misma función. Luego hay que comprobarlo por métodos bioquímicos convencionales, pero la enzimología genómica focaliza mucho el problema hasta hacerlo tratable.

      El aparto digestivo está repleto de ellas

Hay otra peculiaridad de las bacterias que resulta de suma utilidad. Los genes de las enzimas con funciones relacionadas, como las que catalizan sucesivas reacciones de la misma ruta metabólica, están a menudo contiguos en el genoma. Conociendo algo de una ruta metabólica, esto da una pista importante sobre la función de cualquiera de ellas.

Para explicar el hallazgo principal de los científicos de Boston, hay que utilizar un poco de nomenclatura bioquímica, que no es el más atractivo de los géneros literarios. Una de las enzimas clave, hasta ahora desconocida, interviene en la ruta metabólica que produce la L-prolina, un aminoácido fundamental en las proteínas: la enzima se alimenta de un compuesto llamado trans-4-hidroxiprolina, lo deshidrata y lo pone en condiciones de generar la L-prolina. Balskus y sus colegas han comprobado que esa enzima es universal en los microbiomas de todas las personas analizadas.

“El metabolismo de la prolina”, escribe en un comentario Margaret Glasner, del departamento de Bioquímica y Biofísica de la Universidad de Texas A&M, “puede ser un nexo importante entre el microbioma del intestino y la salud humana, porque el metabolismo de ese aminoácido se asocia en humanos con el cáncer y con las respuestas celulares al estrés”.

Nuestra química más fundamental

El trabajo abre perspectivas inexploradas hasta ahora. La enzima de la prolina es la más importante caracterizada, pero es miembro de una superfamilia, muchos de cuyos miembros son también ubicuos en todos los metagenomas analizados. Y la técnica, por otra parte, puede utilizarse para descubrir enzimas en otros contextos, como los suelos contaminados y los ambientes extremos.

El microbioma humano se ha revelado en los últimos tiempos como un colaborador necesario de nuestra química más fundamental. Sin él, de hecho, no seríamos seres vivos autónomos. Nuestras bacterias nos ayudan a metabolizar (transformar) los componentes de la dieta que nosotros no sabemos digerir; sintetiza nutrientes y vitaminas esenciales para el funcionamiento de nuestras células (las vitaminas suelen ser coenzimas, o factores que las enzimas necesitan para su funcionamiento); y gestiona compuestos cuyas combinaciones afectan a la salud. La propensión a la obesidad, por ejemplo, tiene relación con la composición del microbioma.

El Proyecto Microbioma Humano es una iniciativa de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de Estados Unidos, la locomotora de la investigación biomédica pública mundial. Aunque se fundó en 2008 con fondos (115 millones de dólares) para cinco años, sus muestras y resultados siguen siendo una fuente de exploración, como muestra la investigación actual. Su objetivo es el estudio exhaustivo de las bacterias del intestino, sobre todo en relación con las condiciones patológicas. También incluye las bacterias de la boca, la nariz, la piel y la vagina.

El tamaño importa. Al menos en el caso de los agujeros negros, uno de los objetos más extraños y fascinantes de todo el Universo. Desde hace tiempo se conocen dos tipos extremos de estos devoradores de materia: los pequeños, que tienen el peso de varios soles; y los supermasivos, unos gigantes inconmensurables con la masa de millones o miles de millones de soles que suelen estar situados en el centro de las galaxias. Pero los astrónomos llevan mucho tiempo barruntando la existencia de una tercera categoría, una intermedia, con una masa de entre 100 y 10.000 soles. Quizás ya tengan la respuesta. Un equipo del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA) ha encontrado pruebas de un agujero negro de tamaño mediano, con una masa de 2.200 soles, que se esconde en el centro de un cúmulo globular llamado 47 Tucanae, a 13.000 años luz de la Tierra.

Photo of the globular star cluster 47 Tucanae taken with the Very Large Telescope, in Chile. Right: NASA/ESA Hubble Space Telescope photo of the core of 47 Tuc. The

¿Y qué tiene esto de particular? «Queremos encontrar agujeros negros de masa intermedia porque son el ‘eslabón perdido’ entre los de masa estelar y los supermasivos. Pueden ser las semillas primordiales que se convirtieron en los monstruos que vemos hoy en los centros de las galaxias», explica Bulent Kiziltan, autor principal del estudio.

La caza de este tipo de agujeros ha estado llena de contradicciones y sinsabores. En 2005, los astrónomos creyeron detectar uno intermedio en un cúmulo de la galaxia vecina Andrómeda, pero modelos alternativos demostraron que los datos podían ser explicados sin ese objeto. En 2014, el candidato M82 X-2 resultó no ser un agujero negro, sino una estrella de neutrones. Y otros propuestos tenía una masa demasiado pequeña. En resumen, que ese «eslabón perdido» seguía perdido.

Así que los astrónomos de Harvard se fijaron en 47 Tucanae, un cúmulo globular de 12.000 millones de años que se encuentra en la constelación austral de Tucana, el tucán. Denso y poblado, contiene miles de estrellas y dos docenas de púlsares en un globo de solamente 120 años luz de diámetro.

En realidad, no es la primera vez que este cúmulo es examinado en busca de un agujero negro central, pero los intentos anteriores no tuvieron éxito. En la mayoría de los casos, estas regiones del espacio se encuentran por la pista de los rayos X procedentes de un disco de material caliente que gira alrededor de ellas. Pero este método sólo funciona si el agujero se está alimentando activamente del gas cercano. El centro de 47 Tucanae no tiene gas, dejando hambriento a cualquier agujero negro que pueda estar al acecho allí.

El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea también revela su presencia por su influencia en las estrellas cercanas. Años de observaciones infrarrojas han mostrado un puñado de estrellas en nuestro centro galáctico girando alrededor de un objeto invisible con un fuerte tirón gravitacional. Pero el concurrido centro de 47 Tucanae hace que sea imposible ver los movimientos de las estrellas individuales.

Estrellas disparadas

Así que, en este caso, los investigadores tuvieron que arreglárselas y buscar otras evidencias. La primera fueron los movimientos de estrellas de todo el cluster. El ambiente de un cúmulo globular es tan denso que las estrellas más pesadas tienden a caer hacia el centro de la agrupación. Un agujero negro de tamaño mediano en el centro del cúmulo actúa como una «cuchara» cósmica y revuelve la olla, causando que esas estrellas sean catapultadas a velocidades más altas y mayores distancias. Esto imparte una señal sutil que los astrónomos sí pueden medir.

En efecto, mediante el empleo de simulaciones por ordenador de movimientos estelares y distancias, y comparándolas con las observaciones en luz visible, el equipo encontró que un agujero negro intermedio era la única explicación para semejante agitación gravitacional.

Los púlsares, restos compactos de estrellas muertas cuyas señales de radio son fácilmente detectables, también pusieron sobre aviso a los investigadores. Estos objetos también son impulsados por la gravedad del agujero central, haciendo que se encuentren a una mayor distancia del centro del cúmulo de lo que se esperaría si no existiera ningún agujero negro.

En conjunto, para los astrónomos estas pistas sugieren la presencia de un agujero negro de alrededor de 2.200 masas solares dentro de 47 Tucanae. Como este agujero ha eludido ser detectado durante tanto tiempo, los astrónomos creen posible que existan otros parecidos escondidos en otros cúmulos globulares. Habrá que continuar la búsqueda.