Um microbioma (do grego antigo μικρός (mikrós) "pequeno" e βίος (bíos) "vida") é a comunidade de microrganismos que pode ser encontrada vivendo em conjunto em um determinado habitat. O termo foi definido de forma mais precisa em 1988 por John Whipps et al. como "uma comunidade microbiana característica que ocupa um habitat razoavelmente bem definido, com propriedades físico-químicas distintas. Assim, o termo não se refere apenas aos microrganismos envolvidos, mas também engloba o seu teatro de atividade". Em 2020, um painel internacional de especialistas publicou o resultado de suas discussões sobre a definição de microbioma, propondo uma definição baseada em uma retomada da "descrição compacta, clara e abrangente do termo", conforme originalmente apresentada por Whipps et al., complementada por dois parágrafos explicativos: o primeiro enfatizando o caráter dinâmico do microbioma e o segundo distinguindo claramente o termo "microbiota" do termo "microbioma".
A microbiota consiste em todos os membros vivos que formam o microbioma. A maioria dos pesquisadores concorda que bactérias, arqueias, fungos, algas e pequenos protistas devem ser considerados membros do microbioma, já a inclusão de bacteriófagos, vírus, plasmídeos e elementos genéticos móveis é mais controversa. O "teatro de atividade" de Whipps inclui o papel essencial que metabólitos secundários desempenham na mediação de interações interespecíficas complexas e na garantia da sobrevivência em ambientes competitivos. O quorum sensing induzido por pequenas moléculas permite que bactérias controlem atividades cooperativas e adaptem seus fenótipos ao ambiente biótico, resultando, por exemplo, em adesão célula-célula ou formação de biofilme.
Todos os animais e plantas formam associações com microrganismos, incluindo protistas, bactérias, arqueias, fungos e vírus. No oceano, as relações entre animais e microrganismos costumavam ser estudadas em sistemas simples de hospedeiro-simbionte. No entanto, novas investigações sobre a diversidade de microrganismos associados a diversos animais marinhos hospedeiros levam o campo a estudos que abordam as interações entre o animal hospedeiro e o microbioma composto por vários membros. O potencial dos microbiomas de influenciar a saúde, a fisiologia, o comportamento e a ecologia dos animais marinhos pode alterar a compreensão atual sobre como esses organismos se adaptam às mudanças, especialmente às mudanças climáticas e às de origem antrópica que já afetam o oceano e o microbioma do fitoplâncton. O microbioma vegetal desempenha papéis centrais na saúde das plantas e na produção de alimentos, tendo recebido grande atenção no século XXI. As plantas vivem associadas a diversos consórcios microbianos, conhecidos como microbiota vegetal, presentes tanto no interior (endosfera) quanto no exterior (episfera) dos tecidos vegetais. Esses microrganismos exercem funções importantes na ecologia e na fisiologia das plantas. Acredita-se que o microbioma vegetal central contenha táxons microbianos fundamentais, essenciais para a saúde da planta e para a aptidão do holobionte vegetal. De modo semelhante, o microbioma intestinal de mamíferos emergiu como um regulador fundamental da fisiologia do hospedeiro e a coevolução entre linhagens de hospedeiros e microrganismos desempenhou papel crucial na adaptação dos mamíferos a seus diversos modos de vida.
O estudo sobre microbiomas teve origem na microbiologia no século XVII e o desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos impulsionou a pesquisa microbiológica e provocou mudanças de paradigma na compreensão da saúde e da doença. O desenvolvimento dos primeiros microscópios permitiu a descoberta de um novo mundo até então desconhecido e levou à identificação dos microrganismos. As doenças infecciosas eram o primeiro foco de interesse e pesquisa, no entanto, apenas uma pequena proporção dos microrganismos está associada a doenças ou patogenicidade, a grande maioria dos micróbios é essencial para o funcionamento saudável dos ecossistemas e é conhecida por interações benéficas com outros microrganismos e organismos. O conceito de que microrganismos existem como células isoladas começou a mudar quando se tornou evidente que eles ocorrem em arranjos complexos, nos quais interação entre espécies e comunicação são cruciais. A descoberta do DNA, o desenvolvimento das tecnologias de sequenciamento, da RCP e de técnicas de clonagem permitiram a investigação de comunidades microbianas por meio de abordagens independentes de cultivo. Novas mudanças de paradigma ocorreram e permaneceram no início do século XXI, à medida que novas tecnologias de sequenciamento e o acúmulo de dados genômicos destacaram tanto a ubiquidade das comunidades microbianas associadas a organismos superiores quanto os papéis fundamentais dos microrganismos na saúde humana, animal e vegetal, revolucionando a ecologia microbiana. A análise de genomas e metagenomas em alta produtividade oferece métodos altamente eficazes para pesquisar o funcionamento de microrganismos individuais, bem como de comunidades microbianas inteiras em habitats naturais.
Contexto
História A pesquisa sobre microbiomas teve origem na microbiologia e começou no século XVII e o desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos impulsionou a pesquisa microbiológica e causou mudanças de paradigma na compreensão da saúde e da doença. Como as doenças infecciosas afetaram as populações humanas ao longo de grande parte da história, a microbiologia clínica foi o primeiro foco de pesquisa e interesse público. Além disso, a microbiologia de alimentos é um campo antigo de aplicações empíricas. O desenvolvimento dos primeiros microscópios permitiu a descoberta de um novo mundo até então invisível e levou à identificação de microrganismos.
O acesso a esse mundo, até então invisível, abriu os olhos e as mentes dos pesquisadores do século XVII. Anton van Leeuwenhoek investigou diversas bactérias, fungos e protozoários, que ele chamou de animálculos, principalmente a partir de amostras de água, lama e placa dentária, e descobriu os biofilmes como uma primeira indicação de microrganismos interagindo em comunidades complexas. A explicação de Robert Koch sobre a origem das doenças humanas e animais como consequência de infecção microbiana e o desenvolvimento do conceito de patogenicidade foram marcos importantes da microbiologia, desviando o foco da pesquisa e da percepção pública para o papel dos microrganismos como agentes causadores de doenças que deveriam ser eliminados.
No entanto, pesquisas abrangentes ao longo do último século mostraram que apenas uma pequena proporção dos microrganismos está associada a doenças. A grande maioria dos micróbios é essencial para o funcionamento do ecossistema e conhecida por interações benéficas tanto com outros microrganismos quanto com macrorganismos. Manter um microbioma saudável é essencial para a saúde humana e pode ser o foco de novas terapias.
No final do século XIX, a teve início com o trabalho pioneiro de Martinus Beijerinck e . A recém-estabelecida ciência da microbiologia ambiental resultou em outra mudança de paradigma: os microrganismos estão em toda parte nos ambientes naturais, frequentemente associados a hospedeiros e, pela primeira vez, foram relatados efeitos benéficos em seus hospedeiros.
Subsequentemente, o conceito de que os microrganismos existem como células isoladas começou a mudar à medida que se tornou cada vez mais evidente que os micróbios existem em conjuntos complexos, nos quais as interações e a comunicação entre as espécies são cruciais para a dinâmica populacional e as atividades funcionais. A descoberta do DNA, o desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento, a RCP e técnicas de clonagem permitiram a investigação de comunidades microbianas utilizando abordagens baseadas em DNA e RNA independentes de cultivo.
Um avanço importante foi a introdução de marcadores filogenéticos, como o gene 16 S rRNA, para a análise de comunidades microbianas por Carl Woese e George E. Fox em 1977. Atualmente, os biólogos podem realizar a codificação de barras de DNA de bactérias, arqueias, fungos, algas e protistas em seus habitats naturais, por exemplo, visando seus genes 16 S rRNA e , o espaçador interno transcrito (ITS) ou, alternativamente, regiões funcionais específicas de genes que codificam enzimas específicas.
Outra grande mudança de paradigma teve início no começo deste século, à medida que novas tecnologias de sequenciamento e dados acumulados de sequências destacaram tanto a onipresença das comunidades microbianas associadas a organismos superiores quanto os papéis críticos dos micróbios na saúde humana, animal e vegetal. Estas novas possibilidades revolucionaram a ecologia microbiana, uma vez que a análise de genomas e metagenomas de alto rendimento fornece métodos eficientes para abordar o potencial funcional de microrganismos individuais, bem como de comunidades inteiras em seus habitats naturais. Tecnologias multiômicas, incluindo abordagens de metatranscritoma, metaproteoma e , agora fornecem informações detalhadas sobre as atividades microbianas no meio ambiente. A partir da rica base de dados, o cultivo de micróbios ganhou nova importância e a culturômica de alto rendimento é uma parte importante das ferramentas de estudo de microbiomas. O alto potencial e o poder da combinação de múltiplas técnicas "ômicas" para analisar as interações hospedeiro-micróbio são destacados em várias revisões.
Cronologia da pesquisa de microbiomas do século XVII até o presente Ano Cientistas Fontes Microscopia 1670 descoberta de microrganismos Antonie van Leeuwenhoek pai da microbiologia 1729 classificação de plantas e fungos Pier Antonio Micheli 1796 primeira vacinação Edward Jenner 1837 levedura na fermentação alcoólica Friedrich KützingTheodor Schwann abordagens baseadas em cultivo 1855-1857 pasteurização, fermentação,vacina antirrábica Louis Pasteur 1875 base da taxonomia bacteriológica Ferdinand Cohn 1884 Postulados de Koch Robert Koch 1888 início da ecologia microbial nitrificação, fixação de nitrogênio, microbiologia do solo, ciclo de vida 1892 extração do vírus do mosaico do tabaco das folhas Dmitri Ivanovsky Martinus Beijerinck 1904 conceito da rizosfera Lorenz Hiltner microscopia de fluorescência 1911 espectrometria de massas 1919 Francis Aston 1922 Quimiolitotrofia Sergei Winogradsky 1928 transformação de informação genética para a prole Frederick Griffith 1928 descoberta de antibióticos Alexander Fleming American Chemical Society (1999) Discovery and Development of Penicillin, 1928–1945. International Historic Chemical Landmarks, The Alexander Fleming Laboratory Museum, Londres. (em inglês) microscopia eletrônica de varredura 1931-1938 1944 DNA como portador de informação genética Oswald Avery Colin MacleodMaclyn McCarty 1946 "reprodução sexual" de bactérias Joshua Lederberg Edward Tatum 1953 estrutura 3D em dupla hélice James Watson Francis Crick Hibridização in situ iSIS 1969 HPLC Década de 1970 dogma central da biologia molecular Francis Crick /hibridização de colônia 1975 Método de Sanger 1977 Frederick Sanger 1977 descoberta de arqueia Carl Woese George E. Fox 1977 primeiro sequenciamento completo de genoma de um vírus 1982 descoberta de príons Stanley B. Prusiner técnica de PCR 1983 hibridização fluorescente in situ 1988 1991 Eugene Rosenberg Ilana Zilber-Rosenberg PCR em tempo real quantitativo 1993 1993 a estrutura complexa de biofilmes Hans-Curt Flemming abordagem rRNA de ciclo completo 1995 1995 primeiro sequenciamento completo de genomade Haemophilus influenzae Craig Venter e colegas sequenciamento de nova geração 2005 2005 HMP: Projeto do Microbioma Humano sequenciamento de terceira geração 2008 2008 TerraGenome:Projeto de Metagenoma de Referência do Solo 2010 Projeto Microbioma da Terra
Etimologia