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El microbioma intestinal de los escarabajos comunes beneficia a los bosques y promete bioenergía


Los insectos son contribuyentes críticos para el funcionamiento del ecosistema, y ​​como la mayoría de los organismos vivos, su evolución conjunta con los microbios ha sido esencial para respaldar estas funciones. 


Laurel Kellner, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

Si bien muchos insectos son famosos por causar estragos en cualquier parte del mundo, muchos miles de especies se dedican a su negocio en silencio, brindando importantes servicios esenciales para los ecosistemas saludables utilizando la innovadora bioquímica de sus microbiomas.

Una nueva investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Berkeley Lab) muestra cómo un insecto tan común en el este de los Estados Unidos, el escarabajo pasalido de cuernos largos ( Odontotaenius disjunctus ), tiene un tracto digestivo resistente con microbios para agradecer el giro Su dieta leñosa se convierte en energía, alimentos para sus crías y nutrientes para el crecimiento de los bosques. Estos conocimientos sobre cómo el escarabajo y su microbioma distinto se han desarrollado conjuntamente proporcionan una hoja de ruta para la producción de combustibles y bioproductos asequibles derivados de la naturaleza.

Los escarabajos de Passalid trabajan juntos en unidades familiares para defender sus hogares de túneles de troncos y cuidar de sus crías hasta la edad adulta. La nueva investigación del laboratorio de Berkeley ha demostrado que el microbioma intestinal del escarabajo también ayuda a sus jóvenes a sobrevivir. Crédito: Javier Ceja-Navarro / Berkeley Lab.

El artículo aparece hoy en la revista Nature Microbiology , titulada “Las propiedades anatómicas de la tripa y el ensamblaje funcional microbiano promueven la deconstrucción de lignocelulosa y la subsistencia de la colonia de un escarabajo que alimenta la madera “.

“Descubrimos que la tripa del escarabajo está estructurada para permitir la coexistencia de comunidades microbianas únicas, lo que permite que cada uno realice los distintos procesos metabólicos específicos necesarios para extraer energía de la madera de manera eficiente”, dijo Javier Ceja-Navarro, científico investigador del Laboratorio Berkeley y autor principal de el papel. “La energía derivada de la madera permite que el escarabajo se mantenga a sí mismo y a su descendencia con una dieta muy pobre”.

Los escarabajos comedores de madera brindan a los bosques un servicio invaluable

En los bosques de todo el mundo, los escombros leñosos gruesos constituyen una cantidad tremenda de biomasa que es dura, difícil de descomponer y está en bancarrota nutricional debido a su bajo contenido de nitrógeno. Para los insectos como las termitas y el escarabajo pasálido, la madera en descomposición es el alimento básico principal de la que obtienen energía y nutrientes para formar sus células y tejidos. Un adulto pasálido entierra su cuerpo de una pulgada a través de la madera descompuesta que ha sido preprocesado por hongos, acelerando la descomposición de la madera a través de su actividad de alimentación y haciendo que la madera y el carbono sean accesibles para otros organismos del ecosistema.

Las colonias de Passalid pueden tener hasta siete adultos que pueden consumir más de cuatro veces su peso en madera por día. Esta madera pasa a través del complejo tracto digestivo del escarabajo y finalmente se excreta como producto de desecho , que se denomina cortésmente excremento.

Biorrefinería propia de la naturaleza.
Una mirada de cerca al intestino compartimentado del escarabajo pasálido y la distribución de los procesos metabólicos y la composición microbiana por compartimento.
En el intestino medio (MG), los polímeros vegetales se transforman en componentes más simples, que luego se fermentan en el intestino posterior anterior (AHG), donde se fija el nitrógeno y se produce metano e hidrógeno. La transformación de la biomasa vegetal (o polímeros nuevamente) continúa en el intestino posterior (PHG), hasta la liberación de excrementos ricos en nutrientes y metabolitos como el acetato, el etanol y el benzoato. 
Crédito: Javier Ceja-Navarro / Berkeley Lab.

“Una de las primeras cosas que notamos fue la cantidad de nitrógeno que contenía el excremento, tres veces más que la madera que consumía el escarabajo; esto significaba que el escarabajo, o en realidad sus microbios, agregaban nitrógeno”, dijo Ceja-Navarro. “También notamos cómo los polímeros vegetales duros como la lignina y la celulosa estaban desapareciendo y los productos ricos en energía como el acetato, así como los biocombustibles como el hidrógeno, el etanol y el metano. Este escarabajo y sus microbios han descubierto lo que los científicos de todo el mundo se apresuran a optimizar, cómo convertir de manera eficiente la biomasa de plantas leñosas en biocombustibles y bioproductos “.

¿Pero cómo? “Reunimos a un equipo de expertos y utilizamos herramientas avanzadas de biología molecular, junto con espectrometría y pequeños sensores para descubrir que el intestino del escarabajo está formado por compartimentos especializados, cada uno con un microbioma distinto que funciona en forma casi como una línea de producción industrial, usando bioquímica única para convertir la madera en comida y combustible “, dijo Eoin Brodie, autora principal y subdirectora de la División de Clima y Ciencias del Ecosistema de Berkeley Lab.

“La innovación clave que la naturaleza ha proporcionado aquí es una forma de combinar procesos bioquímicos que de otra manera son incompatibles”, dijo Brodie. Algunos procesos para deconstruir la lignina requieren oxígeno, mientras que otros, como la fermentación, que proporciona la fuente de energía del escarabajo, necesitan un ambiente libre de oxígeno. Entonces, ¿cómo resuelve esto el escarabajo?

“Resulta que la arquitectura intestinal del escarabajo, como la longitud y el grosor de sus paredes intestinales, ha evolucionado para adaptarse a su microbioma de modo que se favorecen los procesos metabólicos específicos en diferentes regiones intestinales”, dijo Ceja-Navarro.

Esto permite que ocurran reacciones que requieren oxígeno en una región intestinal que está separada de las regiones donde los microbios llevan a cabo reacciones que serían inhibidas por el oxígeno. El equipo también demostró que la arquitectura de tripa de escarabajo evita que ciertos productos como el hidrógeno se escapen para favorecer la producción de acetato, una fuente de energía crítica no solo para el escarabajo en sí, sino también para su descendencia.

Los escarabajos pasados ​​son considerados entre las especies más altamente subsociales, lo que significa que trabajan juntos en unidades familiares para defender sus hogares en el túnel de troncos y cuidan a sus crías hasta la edad adulta, lo que probablemente suene familiar para la mayoría de los padres. Debido a que el escarabajo excreta un excremento rico en energía y nutrientes en el que se alimentan sus crías, ahora parece que los jóvenes también tienen que agradecer a los microbios de sus padres. Los productos ricos en nutrientes de estos insectos eventualmente regresan al suelo del bosque, apoyando la productividad del ecosistema, y ​​este estudio destaca el papel esencial del microbioma del escarabajo en ese proceso.

¿Qué es lo siguiente? Aunque la naturaleza lidera el camino, podemos aprender de cómo los escarabajos compartimentan la bioquímica a lo largo de una línea de producción, según Ceja-Navarro, e ingeniar sistemas artificiales para producir bioproductos imitando las propiedades y funciones de sistemas como este de tripa y su microbioma.

Más información: Las propiedades anatómicas del intestino y el ensamblaje funcional microbiano promueven la deconstrucción de lignocelulosa y la subsistencia de una colonia de un escarabajo que se alimenta de la madera, Nature Microbiology (2019). DOI: 10.1038 / s41564-019-0384-y , https://www.nature.com/articles/s41564-019-0384-y 

Referencia del diario: Nature Microbiology  

Proporcionado por: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

Información de: phys.org


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