Desde hace mucho tiempo se ha dicho que “el pan es vida”. Ahora, investigadores de la Universidad de Tufts están utilizando las mezclas burbujeantes de harina y agua conocidas como masa madre para explorar qué moldea la vida a nivel microscópico. Sus hallazgos, publicados en la revista Ecology, demuestran una forma sencilla de predecir cómo coexistirán las especies microbianas, proporcionando información que podría ser útil para la panadería, la seguridad alimentaria y la salud humana.
Una de las principales cuestiones en ecología es si es posible predecir qué especies microbianas prosperarán juntas basándose en cómo interactúan las parejas de especies, o si se necesitan efectos de grupo más complejos para explicar los patrones de coexistencia de especies que se observan en la naturaleza.
Algunos ecólogos son escépticos sobre el uso de “interacciones por pares” para predecir comunidades microbianas reales debido a estudios previos, que a menudo presentaban combinaciones artificiales de especies o condiciones de laboratorio diferentes a sus hábitats naturales.
Al estudiar los microbios aislados de cultivos de masa madre reales, el equipo de Tufts demostró que un modelo simple basado en pares podía predecir de forma fiable cómo interactuarían hasta nueve especies de microbios.
El mismo modelo podría ayudar a explicar cómo se comportan las comunidades microbianas en instalaciones de alimentos, granjas, hospitales e incluso en nuestro propio cuerpo. Los modelos realistas podrían ayudar a los científicos a anticipar qué especies persistirán y cuáles desaparecerán, y a predecir eventos peligrosos como brotes de enfermedades transmitidas por alimentos o la aparición de bacterias resistentes a los antibióticos.
La masa madre funciona cultivando levaduras silvestres y bacterias lácticas que ya están presentes en la harina y en el entorno circundante, incluidas nuestras manos y utensilios de cocina. Al mezclar harina y agua, los panaderos crean las condiciones que permiten que estos microbios despierten y comiencen a multiplicarse hasta que estas poblaciones microbianas crezcan lo suficiente y se activen para que la masa suba y le dé a la masa madre su sabor característico.
“Las masas madre incluyen una amplia diversidad de microbios en general”, afirma el autor principal del estudio, Lawrence Uricchio, profesor Youniss Family de Innovación y profesor asistente de biología en Tufts. “Sin embargo, dentro de estas masas madre, ciertas especies aparecen constantemente juntas en patrones no aleatorios”. La mayoría de las masas madre contienen solo un puñado de especies bacterianas y uno o dos tipos de levadura.
Uricchio afirma que esto proporcionó un microcosmos perfecto para probar si un modelo simple basado en interacciones por pares podía responder a preguntas generales sobre cómo las especies prosperarán en su entorno natural. Compara las interacciones por pares con la predicción del resultado de un juego de ajedrez cuando se conocen las fortalezas de cada jugador.
Pero dado que los ecosistemas reales son mucho más complejos que un juego de ajedrez, muchos científicos argumentan que los ecosistemas naturales implican interacciones más complejas. Uricchio dice que estas interacciones son más como un juego de piedra, papel o tijera entre tres o más jugadores. “Con tantos resultados posibles, es mucho más difícil predecir quién ganará”, afirma.
Para probar un modelo de interacción por pares y su aplicabilidad a circunstancias con más de dos “jugadores” microbianos, los investigadores de Tufts aislaron microbios de las masas madre y midieron el crecimiento de los microbios ya sea por sí solos o en pares.
Utilizaron estas mediciones para construir el modelo y luego compararon sus predicciones con lo que realmente sucedió cuando permitieron que comunidades más grandes de hasta nueve especies de levaduras y bacterias crecieran juntas en placas de laboratorio.
Sus hallazgos sugieren que las interacciones por pares por sí solas pueden predecir de forma fiable qué microbios coexistirán y cuán abundantes serán en algunas comunidades multi-especies complejas. Solo dos de las nueve especies se comportaron de manera diferente a las predicciones del modelo. Y, crucialmente, los investigadores mejoraron esas predicciones ajustando su modelo para reflejar el ciclo de vida real de la masa madre.
Aprendiendo del ciclo de vida de un pan
Este ciclo comienza cuando un panadero mezcla harina y agua y permite que los microbios que se encuentran de forma natural en el medio ambiente comiencen a crecer. Durante la semana o dos siguientes, el panadero “alimenta” la mezcla, refrescándola diariamente con harina y agua nuevas, hasta que la masa madre se activa lo suficiente como para que la masa suba correctamente. Para cada pan nuevo, el panadero utiliza una porción de la masa madre y luego repone el resto con más harina y agua, manteniendo la cultura mediante alimentaciones regulares.
“Existe una fluctuación constante, donde los microbios despiertan y crecen, luego el tamaño de su población disminuye considerablemente y luego vuelve a aumentar”, dice Uricchio. “Cuando nuestros parámetros para las interacciones por pares no incluían esta reducción repetida de la población seguida de crecimiento, no funcionaron tan bien”.
“Encontramos que ciertas especies que se encuentran de forma natural en las masas madre pueden superar a otras, pero crecen muy lentamente”, dice Kasturi Lele, estudiante de doctorado en biología en Tufts que codirigió el estudio en el Laboratorio Uricchio junto con Benjamin Wolfe, profesor asociado de biología. “Cuando tuvimos en cuenta la reducción repetida de la población microbiana seguida del crecimiento que ocurre en las masas madre reales, nuestro modelo reveló que estas especies particulares no se reproducen hasta el punto de expulsar a otras especies”.
Los investigadores afirman que esta información podría ayudar a informar los modelos de interacción por pares que predigan mejor, y potencialmente prevengan, los cambios microbianos que amenazan la salud humana, animal o ambiental.
Muchas comunidades microbianas del mundo real experimentan el mismo tipo de ciclos de auge y caída que se observan en las masas madre. Por ejemplo, un curso de antibióticos puede reducir drásticamente los microbios en el intestino de un paciente, creando una apertura temporal para que surjan bacterias dañinas que normalmente están controladas por otros microorganismos beneficiosos. Caídas de población similares pueden ocurrir cuando se desinfecta el equipo de procesamiento de alimentos, cuando se desinfectan las habitaciones de los hospitales entre pacientes o cuando los microbios del suelo se ven interrumpidos por pesticidas.
Los panaderos caseros pueden estar tranquilos al saber que las comunidades microbianas en las masas madre parecen ser notablemente estables. “Parecen vivir mucho tiempo y resistir las invasiones de otros microbios”, dice Uricchio. “Así que quizás no sea sorprendente que algunas personas mantengan estas masas madre durante muchos años sin que se echen a perder”.
Los investigadores ya están dando el siguiente paso para comprender las comunidades naturales, con Lele trabajando en modelos que pueden seguir a estos microbios a medida que evolucionan. A medida que se acumulan cambios genéticos con el tiempo, una comunidad microbiana que antes era estable podría cambiar, dice Uricchio. “La evolución bien podría darle a una especie microbiana la ventaja, cambiando el sabor del pan horneado con una masa madre o remodelando la microbiota intestinal de una persona”.