Filogenia microbiana

La filogenética microbiana surgió como campo de estudio en la década de 1960; los científicos comenzaron a crear árboles genealógicos basados ​​en las diferencias en el orden de los aminoácidos de las proteínas y los nucleótidos de los genes, en lugar de utilizar la anatomía y fisiología comparadas. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Una de las figuras más importantes en la etapa inicial de este campo es Carl Woese , quien en sus investigaciones se centró en las bacterias , estudiando el ARN en lugar de las proteínas. Más específicamente, decidió comparar los oligonucleótidos del ARN ribosómico de la subunidad pequeña (ARNr 16S). Los oligonucleótidos coincidentes en diferentes bacterias podían compararse entre sí para determinar el grado de parentesco entre los organismos. En 1977, tras recolectar y comparar fragmentos de ARNr 16S de casi 200 especies de bacterias, Woese y su equipo concluyeron que las arqueobacterias no formaban parte de las bacterias, sino que eran organismos completamente independientes. ^{[ 3 ] [ 6 ]}

En la década de 1980, la filogenética microbiana entró en su época dorada, gracias a la notable mejora de las técnicas de secuenciación de ARN y ADN . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Por ejemplo, la comparación de las secuencias de nucleótidos de genes completos se facilitó mediante el desarrollo de los medios para clonar ADN, lo que permitió crear numerosas copias de secuencias a partir de muestras minúsculas. La invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) tuvo un impacto increíble en la filogenética microbiana. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Todas estas nuevas técnicas condujeron a la propuesta formal de los tres dominios de la vida: Bacteria , Archaea (el propio Woese propuso este nombre para reemplazar la antigua denominación de Archaebacteria) y Eukarya, sin duda uno de los hitos clave en la historia de la taxonomía. ^{[ 11 ]}

Uno de los problemas intrínsecos del estudio de los microorganismos era la dependencia de los estudios de cultivos puros en un laboratorio. Los biólogos intentaron superar esta limitación mediante la secuenciación de genes de ARNr obtenidos a partir de ADN aislado directamente del medio ambiente. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Esta técnica permitió apreciar plenamente que las bacterias no solo poseen la mayor diversidad, sino que también constituyen la mayor biomasa en la Tierra. ^{[ 14 ]}

A finales de la década de 1990 se inició la secuenciación de genomas de diversos organismos microbianos y, para 2005, se habían secuenciado 260 genomas completos, lo que dio como resultado la clasificación de 33 eucariotas, 206 eubacterias y 21 arqueas. ^{[ 15 ]}

A principios de la década de 2000, los científicos comenzaron a crear árboles filogenéticos basados ​​no en el ARNr , sino en otros genes con funciones diferentes (por ejemplo, el gen de la enzima ARN polimerasa ^{[ 16 ]} ). Las genealogías resultantes diferían enormemente de las basadas en el ARNr. Estas historias genéticas eran tan diferentes entre sí que la única hipótesis que podía explicar estas divergencias era una influencia importante de la transferencia horizontal de genes (THG), un mecanismo que permite a una bacteria adquirir uno o más genes de un organismo completamente no relacionado. ^{[ 17 ]} La ​​THG explica por qué las similitudes y diferencias en algunos genes deben estudiarse cuidadosamente antes de utilizarlos como medida de la relación genealógica de los organismos microbianos. ^{[ 18 ]}

Los estudios destinados a comprender la amplia difusión de la transferencia horizontal de genes (THG) sugirieron que la facilidad con la que se transfieren los genes entre bacterias hacía imposible aplicarles el concepto de especie biológica. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Los métodos comparativos filogenéticos ( MCF ) se utilizan comúnmente para comparar múltiples rasgos entre organismos. En el ámbito de los estudios del microbioma, no es frecuente el uso de MCF; sin embargo, estudios recientes han logrado identificar genes asociados con la colonización del intestino humano. ^{[ 22 ]} Este desafío se abordó midiendo la asociación estadística entre una especie que alberga el gen y la probabilidad de que dicha especie esté presente en el microbioma intestinal. Los análisis muestran la combinación de metagenómica de secuenciación masiva con modelos filogenéticamente relevantes. ^{[ 25 ]}

Este método se utiliza comúnmente para la estimación de perfiles genéticos y metabólicos de comunidades existentes utilizando un conjunto de genomas de referencia, comúnmente realizado con PICRUSt (Investigación filogenética de comunidades mediante la reconstrucción de estados no observados) en estudios de microbioma. ^{[ 22 ]} PICRUSt es un enfoque computacional capaz de predecir la composición funcional de un metagenoma con datos de marcadores y una base de datos de genomas de referencia. Para predecir qué familias de genes están presentes, PICRUSt utiliza un algoritmo de reconstrucción de estado ancestral extendido y luego combina las familias de genes para estimar el metagenoma compuesto. ^{[ 26 ]}

Las variables filogenéticas se utilizan para describir variables que se construyen utilizando características en la filogenia para resumir y contrastar datos de especies en el árbol filogenético. Los conjuntos de datos del microbioma se pueden simplificar utilizando variables filogenéticas al reducir las dimensiones de los datos a unas pocas variables que contienen información biológica. ^{[ 22 ]} Métodos recientes como PhILR y la filofactorización abordan los desafíos del análisis de variables filogenéticas. La transformación PhILR combina modelos estadísticos y filogenéticos para superar los desafíos de los datos composicionales. La incorporación de ambos modelos evolutivos microbianos con la transformación isométrica de razón logarítmica crea la transformación PhILR. ^{[ 27 ]} La filofactorización es una herramienta de reducción de dimensionalidad que se utiliza para identificar aristas en la filogenia de las que pueden haber surgido rasgos ecológicos funcionales putativos. ^{[ 28 ]}