El hologenoma: la microbiota como eje de la evolución humana

El hologenoma y la teoría de la evolución hologenómica son conceptualmente ideas muy recientes, sobre todo si las incluimos en el espectro de las teorías evolutivas más aceptadas.

En el presente artículo intentaré plasmar la historia y aspectos básicos de esta nueva teoría evolutiva, que tiene al microbioma como eje central y que impacta directamente en nuestra visión del ser humano, abriendo consigo un debate a nivel biológico, genético, sociológico, filosófico…

Teoría clásica de la evolución humana

Hagamos un breve repaso histórico.

En los albores del siglo XIX, concretamente en 1809, el biólogo francés Jean-Baptiste Lamarck fue el primer pensador en exponer una teoría de la evolución biológica de los seres vivos, en la que la adaptación al entorno y la transmisión hereditaria de los caracteres adquiridos durante dicho proceso evolutivo, eran los puntos centrales.

Posteriormente, en 1859, llegaría la visión del naturalista inglés Charles Darwin, que en su libro “El origen de las especies” trata la evolución biológica desde un punto de vista de selección natural y sexual.

No mucho más tarde, Gregor Mendel, en torno a 1866, sentaba las bases de lo que actualmente conocemos como genética a través de sus experimentos semillas y plantas, aunque sus hallazgos no tuvieron un gran impacto hasta ya iniciado el siglo XX.

Finalmente, es necesario citar la teoría de la síntesis evolutiva moderna, también conocida como teoría sintética o neodarwinismo, la cual pretende aunar ideas de todas las anteriores y algunos conocimientos que la ciencia ha aportado a lo largo del último siglo.

A la hora de escribir estas líneas, en pleno septiembre de 2022, me atrevo a aseverar que todas ellas carecían de un punto clave y de ahí que vayan a quedar obsoletas en un futuro y es la importancia de la carga genética de la microbiota en el proceso evolutivo. Ese es el aspecto central de la teoría de la evolución hologenómica que paso a desgranar.

La teoría de la evolución hologenómica desde un punto de vista histórico

Si bien existe consenso en la literatura científica sobre la importancia del entorno y la presión que puede ejercer en los seres vivos como factor desencadenante de adaptaciones a nivel evolutivo, estamos asistiendo a un cambio de paradigma en torno a la individualidad de cada tipo de ser vivo en dicha evolución.

Esta idea se entenderá mejor exponiendo cómo ha sido el proceso que ha conducido a la génesis de la teoría de la evolución hologenómica.

El concepto de superorganismos de Wilson y Sober (1989)

En plena caída del muro de Berlín, el biólogo David Sloan Wilson y el filósofo Elliott Sober publicaban un artículo titulado “Reviving the superorganism”, que, como veremos posteriormente, marcó enormemente a los desarrolladores de la teoría de la evolución hologenómica.

Wilson y Sober teorizaban sobre la posible existencia de los superorganismos, o lo que es lo mismo, unidades más grandes que un propio ser vivo, que pudieran agruparse con un fin de supervivencia y reproducción. No obstante, esta idea la podemos entender como una adaptación y modernización del propio concepto de superorganismo de William Morton Wheeler, el cual en 1911 expuso que la capacidad de las colonias de insectos para operar como una unidad podía ser entendida como tal.

Sea como fuere, estos autores rompían con la idea defendida por la biología evolutiva moderna hasta entonces, que exponía que prácticamente todas las adaptaciones de los seres vivos se dan nivel individual o genético.

Ellos teorizaban sobre que “las teorías de la selección individual se basan en una contradicción lógica, ya que los genes en los individuos son tratados de manera diferente que los individuos en grupos o las especies en comunidades”, y esto es un error de concepto, en su opinión.

Añadían en su artículo, además, que no tenían duda de la existencia de superorganismos en nuestro entorno (aunque no pudieran probarlo).

Lynn Margulis y el concepto de holobionte

Poco después de la publicación del artículo de Wilson y Sober, en 1990, la ya fallecida bióloga estadounidense Lynn Margulis era la primera persona en acuñar el término “holobionte”.

Margulis hacía referencia con este término a la unidad formada por un organismo pluricelular y su simbionte primario. Para que nos entendamos, un ser vivo, por ejemplo un animal, una planta o un ser humano y otra especie (u otras) que vive/n en él de manera simbiótica, es decir, en asociación con beneficio mutuo para ambos.

Esa unión, daría lugar a un nuevo “individuo biológico” formado por dos o más organismos, denominado holobionte.

Nuevamente e intentando aclarar este término, podemos pensar en nosotros mismos. Ya sabemos que los microorganismos son parte importante de nuestra vida. Los tenemos en nuestras distintas microbiotas, la microbiota oral, la microbiota intestinal, la microbiota de la piel, etc. Pues esa unión entre nosotros como ser humano individual y todas los microorganismos que residen en nuestro cuerpo se podría entender como una única “unidad biológica” y esta sería la que Lynn Margulis denominó holobionte.

Richard Jefferson y el hologenoma

Ya en 1994, el biólogo molecular Richard Jefferson, durante una conferencia sobre agricultura y medio ambiente, era el primero en exponer un concepto que, es probable, cambie la historia de la humanidad tal y como la conocemos. Hablo del hologenoma.

@HoloGnome, que es curiosamente el nombre de usuario de Jefferson en Twitter, exponía en esa charla que al realizarse estudios genéticos en plantas, lo habitual es licuar algunas hojas para posteriormente realizar el análisis. El problema es que se encuentran de manera recurrente genomas de microorganismos, los cuales se entienden (hasta ese momento) como una contaminación de la muestra.

En esa ya histórica conferencia, Jefferson defendía un cambio de paradigma, en el cual habría que aceptar que esos genomas no solo no provienen de un error en la toma de muestras, sino que hay que empezar a entender que esa mezcla de genomas es, probablemente, lo que permite a las plantas sobrevivir.

En resumen, planteaba a sus colegas de profesión la idea de empezar tratar los genomas encontrados en las muestras como un todo, valiéndose de las ideas expuestas por Margulis en lo referente al concepto de holobionte.

Esa unidad de genomas, que trabajan en común por la salud del hospedador, es lo que este biólogo molecular acuñó como hologenoma.

Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg y la teoría de la evolución hologenómica

Y llegamos, finalmente, a la teoría que puede cambiarlo todo.

Más de una década después de la charla de Jefferson y tras varios años de trabajo, en 2008, Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg presentarían en sociedad su teoría hologenómica de la evolución, en un artículo denominado “Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution”.

Partiendo del conocimiento previo y, como ellos mismos afirman, en la línea de lo expuesto en su día por Wilson y Sober, exploraron la posibilidad de la existencia de esos superorganismos.

Para ello, estos científicos se valieron de su experiencia en el estudio de los corales marinos. De hecho, su primera teoría vinculada a lo que hoy conocemos como hologenoma, hacía referencia a que un tipo de microorganismos protegía a lo corales de los agentes patógenos, previniendo su decoloración. En esa línea, exponían que la pérdida de estos simbiontes favorecería la entrada de los microorganismos comensales y provocaría la pérdida de color de dichos corales. Por tanto, el coral marino debía ser entendido como un holobionte.

Si bien su teoría recibió múltiples críticas durante los primeros años, lo cierto es que desde ese momento múltiples profesionales en diferentes disciplinas han sido capaces de replicar esa teoría en otros organismos pluricelulares (animales, plantas, hongos…).

Por tanto, los Rosenberg abrían un camino nunca antes prospectado y con unas implicaciones inimaginables. Pero falta lo más relevante, el aspecto evolutivo. ¿Realmente un holobionte evoluciona y transmite genéticamente esos cambios a las siguientes generaciones? Demos respuesta a esta cuestión.

La teoría de la evolución hologenómica 15 años después

Para poder entender el apartado evolutivo relacionado con los holobiontes, hay que comprender cuatro conceptos, fundamentalmente:

• Hologenoma: es la unión de todos los genes en un holobionte, es decir, los provenientes del genoma del huésped (un ser humano, un animal, planta…) más todos los genomas del microbioma.
• Transferencia horizontal de genes: se da cuando bacterias de diferentes taxones se transmiten grupos de genes entre sí, o cuando traspasan esos grupos de genes a sus huéspedes (nosotros, por ejemplo).
• Transferencia horizontal de la microbiota: transferencia de microorganismos de padres a hijos a través del medio ambiente.
• Transferencia vertical de microbiota: transferencia de padres a hijos sin mezclarse con microorganismos del medio ambiente.

Si pensamos en nosotros mismos, lo seres humanos, de todos estos conceptos podemos sacar diversas conclusiones. Por una parte, que somos un todo indivisible con nuestros microorganismos, es decir, somos un holobionte con su correspondiente hologenoma.

Además, esos microorganismos que viven en simbiosis con nosotros pueden ayudarnos a adaptarnos a distintos cambios, a través de las sustancias que incorporan a nuestro organismo. En el apartado de conclusiones expondré un caso concreto que aclarará este hecho.

Asimismo, se puede transmitir esa carga hologenómica de generación en generación, tanto a través de genes de microorganismos (microbioma) como de los propios microorganismos en sí.

Aunque es aún el apartado con más incógnitas, a día de hoy ya sabemos que existen distintos métodos de transmisión de este hologenoma, ya sea a través de los genes en sí, como con el contacto directo desde el nacimiento (besar, abrazar, la lactancia materna…) o mediante la coprofagia, es decir, en diversas especies animales se traslada a través del consumo de las heces de sus progenitores, por extraño que parezca.

Resumen de los aspectos básicos de la teoría del hologenoma

Los autores de esta teoría de la evolución hologenómica, Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg, entienden como básicas cinco ideas, principalmente:

• Ningún ser humano es un organismo en sí mismo, sino una mezcla simbiótica de ellos. Puede que en esa mezcla, exista una prevalencia del genoma humano, o no, (pero no estamos en posición de resolver esa incógnita todavía).
• No hemos estado nunca solos. Hemos evolucionado a partir de la simbiosis con diversas combinaciones de microorganismos.
• El hologenoma se transmite en mayor o menor medida de generación en generación, lo que lo hace genéticamente más estable.
• La capacidad de modificar el genoma microbiano es mucho mayor que la de hacerlo con el genoma humano, lo que brinda al ser humano muchas más posibilidades de evolucionar y adaptarse a partir de los cambios en el genoma microbiano simbionte.
• La principal fuerza impulsora de la evolución no es tanto la mutación del genoma humano, como la incorporación de microorganismos y sus genomas propios.

Estos autores defienden, con una lógica difícil de rebatir, que es más eficiente tomar genomas más desarrollados por los microorganismos para una función concreta (como metabolizar una sustancia, por ejemplo), que adaptar nuestra propia genética por evolución, lo que supondría un esfuerzo y un tiempo muchísimo mayores. No obstante, tienen claro que cuanto más se avance en el conocimiento del microbioma humano, en tipología, funciones y relaciones hospedador-huésped, más capacidad tendremos de entender los aspectos evolutivos de esta relación, por lo que la teoría de la evolución hologenómica aún se encuentra en sus albores.

¿Cambiará el holobioma la teoría de la evolución humana para siempre?

Rotundamente sí.

Creo en ello por diversos motivos.

Funciones esenciales

En primer lugar porque en los últimos años hemos ido descubriendo el vital papel que la microbiota desempeña en muchas de nuestras funciones más importantes, desde el desarrollo y la modulación del sistema inmunitario, pasando por la degradación de fibras no digeribles por nuestro propio cuerpo, defensa contra patógenos, infecciones y enfermedades, producción de neurotransmisores o metabolitos secundarios en forma de ácidos grasos de cadena corta como el butirato o el propionato.

Y lo que todavía queda por descubrir. Ramas como la metabolómica, la transcriptómica o la proteómica aún están empezando a prospectar la punta del iceberg. Además, aún no somos conscientes del alcance real de la relación ser humano-microbiota, dado que son muchísimos los microorganismos presentes en nuestro microbioma que no se han identificado.

Epigenética

En segundo lugar, por el impacto que la microbiota puede tener en la epigenética e indirectamente en la genética humana.

Como he expuesto, uno de los aspectos aún por conocer en profundidad es el de la transmisión de esas mejoras evolutivas que pueden ofrecer los microorganismos a través de los genes. Teniendo en cuenta que algunos autores ya nos indican que “la evidencia reciente muestra que la microbiota puede regular las rutas metabólicas y los patrones de expresión génica de su huésped y, debido a esta interacción, el huésped puede realizar adecuadamente la diferenciación celular, la formación de tejidos, la nutrición y otras funciones importantes» unido a lo destacado en el primer punto (funciones esenciales) y el impacto epigenético que esto puede tener, la puerta a creer que se demostrará de forma fehaciente también hay transmisión genética del microbioma de padres a hijos, está más que abierta.

El nuevo “paradigma comportamental”

Tercero. En otros seres vivos ya se ha visto que el microbioma puede incluso modificar el comportamiento de sus hospedadores. Es el caso del eucariota marino Salpingoeca rosetta cuyo comportamiento social o asocial estaría mediado por la bacteria Algoriphagus machipongonensis o el parásito de la malaria, que puede influir en sus huéspedes para aumentar la probabilidad de propagación haciendo que estos sean más atractivos para los mosquitos que transmitirán la enfermedad.

Todo ello también genera un nuevo “paradigma comportamental” en el ser humano. ¿Es capaz el microbioma de modular nuestro propio comportamiento?

Por todas las incógnitas que quedan por resolver

Cuarto. Hay tantos aspectos relacionados con nuestra esencia holobionte por resolver, que pensar en que el peso de los microorganismos en nuestra salud individual y comunitaria es mayor de lo que creemos, parece lógico.

Un ejemplo de ello es el dominio de los Lactobacillus en la microbiota vaginal humana (tienes un extenso artículo sobre ella que te recomiendo visitar).

Como curiosidad, este dominio de los Lactobacillus parece ser exclusivo de los seres humanos, ya que en otros mamíferos estas bacterias rara vez comprenden más del 1 % de la microbiota vaginal, situándose en el caso de las mujeres en torno al 70% o más. Hay varias teorías al respecto. Aunque ninguna convincente ni consensuada hasta la fecha.

Por los casos que parecen provenir de la evolución hologenómica

Por último. Porque ya tenemos ejemplos que parecen dejar patente que los microorganismos nos permiten evolucionar en simbiosis y transmitir esos cambios por vía hereditaria.

Hablemos de los japoneses, su gusto por las algas y su tolerancia a altos niveles de yodo.

El yodo es un mineral esencial para el buen funcionamiento del organismo, pero su consumo en grandes cantidades puede generar disfunción tiroidea, la cual normalmente cursa con una primera fase de hipertiroidismo seguida de otra con hipotiroidismo.

En condiciones normales, no se suelen dar estos problemas en población general. De hecho, todo lo contrario. Diferentes políticas públicas han abordado un problema de déficit de yodo en muchos países, lo que ha conllevado, entre otras acciones, a fomentar el consumo de sal yodada (como ya hizo la OMS en 2004).

Hasta aquí todo normal, si no fuera porque los japoneses consumen cantidades que superan ampliamente los valores recomendados por organismos como la OMS. Aunque podemos achacar este hecho a varios alimentos, las algas marinas comestibles como las algas kombu, wakame y en menor medida la nori, son las que aportan esa ingente cantidad de yodo a los nipones.

¿Qué es lo que permite a los japoneses consumir cantidades de yodo que son “toxicas” para el resto de personas?

Hasta hace muy poco tiempo, se pensaba que los nipones habían evolucionado fisiológicamente tras centenares de años consumiendo algas y que ese hecho les confiere una capacidad de tolerancia al yodo extraordinaria.

La realidad es que una bacteria parece ser la responsable de esa tolerancia, Bacteroides plebeius. Hablamos de una bacteria intestinal humana que fue aislada por primera en individuos japoneses que se alimentan de algas marinas en el año 2005. Bacteroides plebeius tiene una característica que la hace muy especial, es capaz de degradar los principales polisacáridos de las algas marinas (la agarasa y la porfiranasa) convirtiéndolos en neoagarooligosacáridos. En un lenguaje más coloquial, son capaces de descomponer y asimilar de una manera muchísimo más eficiente los componentes de las algas marinas. De ahí esa capacidad exacerbada de los japoneses (y de todo aquel que tenga Bacteroides plebeius en su tracto intestinal) de metabolizar los componentes de las algas.

Por tanto, parece que en este caso son los microorganismos los que han propiciado que una parte de los seres humanos sean capaces de tolerar mejor un tipo de alimento/sustancia en concreto. Pero claro, asaltan múltiples dudas relacionadas con la teoría de la evolución hologenómica ante este hecho:

• ¿Tienen o han tenido los japoneses tasas extraordinariamente altas de problemas tiroideos?
  • No lo parece. Más bien existe un consenso en cuanto a la tolerancia de los nipones al yodo.
• ¿Cómo adquirieron los japoneses esa bacteria y como pasó a formar parte de su microbioma?
  • No se conoce con exactitud, pero se ha propuesto la transferencia horizontal de genes de bacterias marinas como la opción más probable.
• ¿Cuánto más te alimentas de algas marinas existe más probabilidad de que Bacteroides plebeius pase a tu microbioma?
  • Es complicado saberlo, aunque quizá esa transferencia de microbioma pueda llegar a través de las propias algas. Evolutivamente hablando tiene sentido, ya que parece complejo adaptarse genética y fisiológicamente a estos niveles de yodo desde un punto de vista individual del ser humano.
• Si podemos encontrar este tipo de algas en otras zonas del mundo como Irlanda o Nueva Zelanda, ¿por qué sobresalen los japoneses en cuanto a su tolerancia al yodo?
  • Quizá por su exposición a grandes cantidades a través del consumo de algas, lo que propició la incorporación de ese tipo de bacterias degradadoras de agarasa y porfiranasa.
• Ya hay estudios donde se busca que otros microorganismos produzcan el mismo efecto que Bacteroides plebeius, como este en el que se modifica genéticamente un tipo de levadura (Saccharomyces cerevisiae var. Boulardii), para que produzca la sustancia degradadora de algas rojas. Por ello, ¿podríamos incorporar en el futuro mediante suplementos esos microorganismos y asegurarnos no tener problemas por consumo excesivo de yodo, además de otros beneficios prebióticos provenientes de la degradación de dichas algas?
  • Es lo que ya está buscando la ciencia, impulsada sobre todo porque diversos sustratos de las algas se han asociado a efectos antivirales, anticancerígenos, antiinflamatorios, antioxidantes y anticoagulantes.
• ¿Hemos asistido a una transmisión hologenómica dado que como sociedad los japoneses están más adaptados a las algas y su contenido en yodo y esa capacidad ha pasado de generación en generación?
  • Parece que sí. Diferentes científicos así lo defienden en sus artículos. Y así lo creo yo.

El cambio de paradigma parece inevitable

Lo curioso es que la génesis de este artículo partió de una reflexión personal. Y es que después de varios años de estudio donde el microbioma humano ha jugado un papel principal, me planteé la posibilidad de que este tuviera un impacto en la evolución del ser humano, dada la importancia creciente de los microorganismos en nuestra salud.

Sin conocer aún todo lo que implicaba la teoría evolutiva hologenómica, teorizaba acerca de la posibilidad de que con el paso de los siglos, hayamos podido hacer frente a ciertas sustancias gracias a los microorganismos. Hablo tanto de alimentos introducidos hace relativamente pocos años, como los cereales, o partes de ellos (como es el caso de diversos tipos de fibra concretos que aún no somos capaces de metabolizar), químicos ambientales u otra clase de tóxicos.

Y tras indagar, fue así como llegué al hologenoma.

Ya hay quienes defienden que nunca fuimos individuos, y estoy de acuerdo. Todo apunta a la coevolución con nuestros simbiontes.

Los precursores de la teoría de la evolución hologenómica, Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg, entienden que en las próximas décadas pueden darse muchísimas implicaciones para la salud humana y animal derivadas de esta teoría, donde la clave residirá en modular nuestro microbioma a través de los alimentos y la suplementación adecuados. Y ahí también coincido.

Creo que hay indicios suficientes del impacto del microbioma a nivel sistémico como para descartar su impacto evolutivo. Pensar en la teoría de la evolución hologenómica como la más coherente, dados los conocimientos que tenemos del ser humano y su entorno en nuestro tiempo, también parece lo más acertado.

Tras lo indicado en este artículo lanzo una pregunta, ¿nuestra evolución es producto de la selección natural, la presión del entorno y la modificación genética de los seres humanos a nivel individual? Permítanme que lo dude.

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