¿Qué es el cross-feeding y por qué es tan importante?

La definición de cross-feeding o alimentación cruzada, hace referencia, de manera muy sintética, a la transferencia de nutrientes entre microorganismos.

Es importante destacar que este proceso se da de manera general en el ecosistema, aunque nosotros nos interesamos especialmente por aquellos que pueden ocurrir dentro de nuestro organismo, es decir, la alimentación cruzada inherente a nuestro microbioma.

En cualquier caso, hay muchos matices y conceptos asociados al cross-feeding. Pasamos a conocerlos.

Cross-feeding, cross-talk, quorum sensing…

Este proceso de transferencia de nutrientes entre microorganismos, tan interesante como poco conocido, está íntimamente ligado a otros como:

• Quorum sensing: concepto que vimos en el apartado de biofilms bacterianos (artículo que te recomiendo visitar) y que hace referencia al mecanismo de comunicación entre bacterias y que tiene como consecuencia la creación de biopelículas o la expresión de factores de virulencia, entre otros.
• Sintrofia: en este caso hablamos de la asociación o dependencia para la alimentación de dos especies. Suele vincularse al hecho de que distintos organismos unen sus capacidades metabólicas para degradar sustancias que convertirán en nutrientes que de manera aislada no podrían.
• Cross-talk: hace referencia a la comunicación metabólica entre microorganismos, afectándose unos a otros.

Por todo ello, podemos entender que el proceso de alimentación cruzada no es algo aislado, sino que se produce como consecuencia de otros procedimientos que tienen como base la supervivencia de estos microorganismos.

¿Cómo se acuña el concepto de cross-feeding bacteriano?

En el año 1969, Subak-Sharpe y colaboradores propusieron el concepto de «cooperación metabólica«, definiendo al mismo como “el proceso por el cual el metabolismo de las células en contacto es modificado por el intercambio de materia”.

Posteriormente, en 1972, Smith-Keary publica un artículo en el que introduce por primera vez el término cross-feeding, en un estudio sobre Salmonella typhimurium, haciendo referencia a los intercambios de material entre células destacados en el citado estudio de Subak-Sharpe.

Como dirían algunos, el resto es historia…, o no tanto, porque a pesar de haber pasado 40 años desde que se acuñara el término, lo cierto es que a día de hoy apenas estamos empezando a conocer la realidad de este fenómeno.

No obstante, algunas de las características principales del proceder de la alimentación cruzada sí que han sido avaladas por la ciencia. Veamos algunas de ellas.

Características de la alimentación cruzada

Algunos autores defienden que existen, al menos, cuatro características que deben cumplir los procesos de cross-feeding:

1. El material debe transferirse de un productor a un destinatario.
2. El material transferido debe ser asimilado por el receptor o participar en la transformación de energía en el receptor y/o productor.

• La aptitud del productor y/o del receptor debe verse alterada como consecuencia de la asimilación o energía derivada del material transferido.
• La alimentación cruzada debe involucrar diferentes especies.
  • Dado que si se tratara de la misma especie, todos los microorganismos serían a su vez productores y receptores de los mismos tipos de sustancias. Por eso se defiende que, en esos casos, no se hablaría de alimentación cruzada.

Aunque pueda parecer complejo dado el lenguaje empleado, la síntesis de todo ello es que existen relaciones de dependencia energética entre especies productoras y receptoras, generándose un impacto en uno o ambos protagonistas y, pudiendo esta relación ser recíproca (aspecto que quedará patente más adelante cuando exponga un ejemplo de cross-feeding).

Moléculas que forman parte de la alimentación cruzada

Hasta ahora hemos visto que existe un intercambio que beneficia a los microorganismos, favoreciendo su capacidad de supervivencia. Sin embargo, diversas son las moléculas protagonistas en este proceso, tanto por su tamaño como por su composición.

Pasemos a destacar algunas de ellas:

• Metabolitos: moléculas pequeñas en forma de azúcares, ácidos orgánicos, aminoácidos, vitaminas o gases, por ejemplo.
• Exoenzimas o enzimas extracelulares: las exoenzimas como las glucosidasas, proteasas o lipasas liberan nutrientes fácilmente consumibles en el medio extracelular.
• Sideróforos: pequeñas moléculas secretadas que quelan el hierro o, en algunos casos, otros metales como el cobre, el manganeso y el zinc.
  • Para aclarar este concepto, hay que indicar que los procesos de quelación permiten estabilizar y eliminar la toxicidad de los metales y permitir su expulsión del organismo.
• Toxinas: por extraño que parezca, las toxinas pueden formar parte de la alimentación cruzada, en los casos en los que exista una tolerancia suficiente por parte de los receptores.
  • Por ejemplo, ciertas bacterias pueden usar cianuro como fuente de nitrógeno para su crecimiento.
• Señales de detección de quorum: en este caso, los autoinductores (las moléculas principales del proceso de quorum sensing), participan de manera indirecta.
• Componentes de la matriz extracelular de las biopelículas: algunos estudios han demostrado que diversos microorganismos interaccionan con la propia matriz de los biofilms degradando y añadiendo sustancias a la misma, las cuales pueden ser utilizadas por otras especies.
  • Para ahondar en el maravilloso universo de los biofilms bacterianos recomiendo nuevamente visitar el artículo que escribí hace algún tiempo.
  • Vesículas extracelulares: hablamos, en este caso, de un tipo de proteínas asociadas a la comunicación celular. Diversos estudios han destacado su participación directa (como nutriente) e indirecta, en los procesos de cross-feeding.

Una maravillosa complejidad

Como podemos observar, estamos ante una intrincada red de supervivencia celular con incontables interacciones, lo que vuelve a dejar patente la maravillosa complejidad de la vida microscópica.

Si a eso le añadimos que muchas de esas interacciones ocurren dentro de nuestro propio organismo, más importancia debemos dar aún al cuidado del equilibrio de nuestra microbiota, en un intento de no desbalancear este tipo de procesos.

O mejor aún, cuanto mejor conozcamos los entresijos de la alimentación cruzada y sus protagonistas, mayor será nuestra capacidad de modular esas relaciones de dependencia en busca de la mejora de nuestra propia salud. De hecho, como destacaré más adelante, la tolerancia a los antibióticos puede estar íntimamente ligada al cross-feeding, por lo que para hacer más efectivos a los mismos, es necesario entender como se ejecuta esa relación entre los distintos microorganismos.

Un ejemplo de alimentación cruzada

En la imagen podemos ver la exposición gráfica de un modelo de alimentación cruzada entre tres especies bacterianas: Escherichia coli, Methylobacterium extorquens y Salmonella enterica.

Partiendo de lactosa y metilamina como sustratos iniciales, vemos como E. coli secreta acetato que servirá de fuente de carbono para S. enterica y M. extorquens.

Por su parte M. extorquens, proporciona nitrógeno a la comunidad a través de la descomposición de la metilamina.

Finalmente, S. enterica secreta metionina para E. coli.

El cross-feeding clave en la prevalencia de las bifidobacterias

Uno de los aspectos que también deja patente la importancia de entender las relaciones de alimentación cruzada dentro de la microbiota humana, lo podemos ver en las bifidobacterias.

Diversos estudios atribuyen a la capacidad de cross-feeding de las distintas cepas de bifidobacterias ser el aspecto clave por el que son miembros dominantes y prevalentes de la microbiota temprana del ser humano, sobre todo atendiendo a su capacidad de acceder a los glicanos (polisacáridos que se encuentran de forma natural en la superficie de las células y permiten la regeneración de la piel y la producción de colágeno, entre otros aspectos).

El impacto de estos procesos de alimentación cruzada en el cultivo bacteriano en laboratorio

Otro aspecto relevante. Se teoriza sobre la posibilidad de que esas relaciones de dependencia a nivel metabólico pueden ser la razón de las dificultades encontradas al tratar de aislar y cultivar bifidobacterias en condiciones de laboratorio. De ahí que muchas bacterias intestinales todavía se consideran «no cultivables».

Un nuevo punto a favor de la importancia de conocer el sistema de cross-feeding tanto intraespecie como interespecie.

Cross-feeding y tolerancia a los antibióticos

Como destacaba anteriormente, una de las líneas de investigación más interesantes y prometedoras por su impacto en la salud humana, es la que vincula a los procesos de alimentación cruzada con la tolerancia a los antibióticos.

Diversos autores defienden que la dependencia metabólica entre los miembros de la comunidad microbiana juega un papel fundamental en la mediación del efecto de los antibióticos. De hecho, se ha constatado que la tolerancia a los antibióticos se modifica en ambientes polimicrobianos, como los existentes en las biopelículas, donde las interacciones de múltiples especies pueden afectar de manera crítica nuestra capacidad para tratar infecciones.

En este sentido, los trabajos destinados a estudiar al “eslabón más débil”, toman especial relevancia. Este concepto se vincula a la idea de que la tolerancia colectiva a los antibióticos de una comunidad de alimentación cruzada puede depender del miembro menos tolerante a los mismos, lo que se denominaría eslabón más débil de la comunidad.

Por ello, si existe un conocimiento suficiente sobre el tipo de alimentación cruzada de una comunidad esencialmente patógena y sus protagonistas, quizá podría ser posible identificar y atacar el eslabón más débil y, con ello, luchar de manera más efectiva contra esta infección polimicrobiana.

En síntesis, muchos expertos defienden que la gestión precisa del microbioma requerirá no solo una farmacología mejorada, sino también una comprensión más completa de las interacciones ecológicas en los sistemas microbianos, destacando especialmente los mecanismos de cross-feeding.

Conclusiones

Como hemos podido comprobar, el proceso de cross-feeding añade una capa más de complejidad al conocimiento de la interacción entre todos los organismos implicados en los procesos de salud y enfermedad del ser humano, incluidos nosotros mismos, como huéspedes.

Si bien este hecho puede ser desalentador por colocarnos, prácticamente, en la casilla de salida en cuanto al conocimiento de este tipo de procesos de dependencia metabólica, es igualmente cierto que subyacen muchos aspectos positivos derivados del entendimiento del cross-feeding.

Pensemos, por ejemplo, que cuanto mejor entendamos cómo funcionan estos mecanismos de alimentación cruzada, mayor capacidad tendremos de modular y potenciar la generación de metabolitos microbianos beneficiosos para el ser humano, como los ácidos grasos de cadena corta, distintos neurotransmisores, la vitamina K, la vitamina B12 y otras del complejo B, por ejemplo.

Además, como indicábamos, el potencial de lucha contra las infecciones polimicrobianas y crónicas es tremendo, por lo que quizá a corto o medio plazo seamos capaces de mejorar nuestras herramientas de erradicación de múltiples patologías.

Sea como fuere, después de 40 años desde la acuñación del término, estamos apenas empezando a vislumbrar las características principales de este fenómeno.

A medida que avance la tecnología, entenderemos mejor la gran complejidad de las conexiones metabólicas entre los microbios y comprenderemos como se establecen y evolucionan las relaciones de alimentación cruzada microbiana, pudiendo incidir en las mismas.

Estaremos aquí para contarlo.

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