Comprendiendo el rumen más allá de lo visible
A nivel mundial, los bovinos, ovinos, bufalinos y caprinos son los principales rumiantes domésticos, animales que por su particular «ecosistema ruminal» conformado por microorganismos, tienen la habilidad de trasformar forrajes y otros productos alimenticios no aptos para el consumo humano en alimentos de alto valor nutritivo.
Para que los rumiantes domésticos puedan continuar produciendo alimentos, y de esta manera contribuir a satisfacer las necesidades nutricionales de una población mundial en continuo crecimiento será obligatoria la integración de esfuerzos adicionales, considerando las limitaciones impuestas por el cambio climático y la Pandemia por COVID-19; ambos hechos, deben impulsar a los ganaderos a implementar estrategias dirigidas a mejorar la eficiencia productiva pero con el menor impacto ambiental y aplicando estrictos protocolos de bioseguridad.
Sin olvidar que la Unidad de Producción Pecuaria (UPP) funciona como un «Sistema», la intervención nutricional se perfila como la mejor estrategia para incrementar la eficiencia productiva y reducir la emisión de contaminantes.
Aunque parezca sencillo, alimentar a un animal rumiante es una labor compleja, tomando en cuenta que se debe «suministrar una dieta con adecuada proporción de nutrientes para el animal y nutrientes para los microorganismos», esto implica que las personas encargadas de la gestión nutricional deben poseer una sólida base de conocimientos, y entendimiento de la «dinámica microbiana ruminal» (1,2). A continuación se exponen aspectos generales relativos al estado del conocimiento de la microbiología ruminal.
El Ecosistema ruminal
El animal y la «comunidad microbiana» residente en el retículo-rumen, conforman una unidad de alta complejidad por la diversidad de microbios, actividad metabólica, relaciones e interacciones entre y dentro de especies; todo organizado en un «único» y «complejo» «Ecosistema ruminal«, en estrecha vinculación con la nutrición, salud, procesos biológicos celulares, rasgos productivos del animal y la emisión de metano (1,3-5).
Algunas variables de producción, por ejemplo: kg de leche por día, ganancia diaria de peso, porcentaje de grasa en leche, etc., se pueden cuantificar con facilidad; por el contrario, en las condiciones existentes en las unidades de producción resulta difícil medir la actividad microbiana ruminal. La buena noticia es que numerosos investigadores han generado información científica sobre las relaciones entre los microorganismos y el animal, la cual puede ser utilizada como base para sustentar las estrategias de intervención nutricional necesarias para la mejor eficiencia y productividad.
¿Qué hacen los microorganismos establecidos en el ecosistema ruminal?
La comunidad microbiana lleva a cabo un intenso trabajo metabólico, con diversas actividades bioquímicas(4-8). Entre ellas, se destacan:
- Producción de complejos multi-enzimáticos, esenciales para la degradación de los polímeros que conforman los alimentos, particularmente los carbohidratos estructurales, principales constituyentes de los «forrajes»;
- A partir de los metabolitos que obtienen, grupos de microorganismos producen nutrientes para los animales (aminoácidos, ácidos grasos y vitaminas), indispensables para asegurar la salud, la función inmune y la eficiencia productiva;
- También, producen enzimas capaces de descomponer a ciertas sustancias tóxicas y micotoxinas presentes en alimentos, contribuyendo con la reducción de su potencial dañino. Este hecho, en cierta medida proporciona protección al animal contra posibles daños.
- Por otro lado, las bacterias contienen en su pared celular “Lipopolisacárido (LPS) o Ácido lipotecoico (LTA)”, con frecuencia se denominan “endotoxinas”, estas sustancias, al ser liberadas y aumentar su concentración en el medio ruminal se trasladan a diversos tejidos, y causan respuesta inflamatoria, afectando la salud del animal.
- Otros productos del metabolismo microbiano como el metano, tienen impacto en el ambiente.
- Aparte, conviene destacar el potencial de aplicación biotecnológico que posee un gran número de sustancias producidas por los microbios ruminales.
El estado del conocimiento sobre microbiología y genómica microbiana ruminal
Composición de la comunidad microbiana
En general, la comunidad microbiana residente en el Retículo-Rumen está integrada por individuos agrupados en tres Dominios (1,9-11).
A saber:
- Eubacteria (Bacteria)
- Eucaria (Lat. Eukarya/Eukaryota): conformado por hongos y protozoarios
- Arquea (Lat. Archaea): organismos metanogénicos
Junto con los anteriores, coexisten micoplasmas y bacteriófagos.
Los miembros de la comunidad microbiana que han sido identificados dentro de cada dominio se clasifican en categorías a nivel de reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. Otro grupo significativo de microorganismos, con funciones claves en el metabolismo ruminal permanecen sin asignación taxonómica, y se les designa como “no clasificados”.
El estudio de los microbios del rumen ha estado limitado, debido a la poca habilidad para reproducirse en medios de cultivo. En los años 40, el Dr. Robert Hungate, pionero en cultivos microbianos anaeróbicos con microorganismos ruminales, inicia una serie de investigaciones a partir de las cuales se produjeron valiosos y aún vigentes conocimientos (10,12,13). En adelante, y todavía con restricciones, continúan los progresos en la identificación, caracterización morfológica y bioquímica, y uso de nutrientes de una parte de las especies microbianas residentes en el rumen. Algunos de los estudios se encuentran descritos en varias publicaciones, en las que se reúne información desde unos 30 años atrás hasta fechas recientes (14-18).
En los últimos 15 años, el desarrollo de la biotecnología, bioingeniería, bioinformática, técnicas moleculares, y el advenimiento de la “Genómica” ha sido clave para el mejor entendimiento de la composición, estructura y funcionalidad de la “comunidad microbiana ruminal”; especial interés se ha puesto en: las especies y procesos bioquímicos involucrados con la emisión de gases de efecto invernadero, mecanismos enzimáticos microbianos, relación con rasgos productivos, y potencial biotecnológico para diversas áreas de aplicación. Es abundante el número de artículos científicos que sobre este tema se encuentra disponible a nivel mundial, en este documento se sugieren algunos (4,5,19-24).
Genoma microbiano ruminal: Proyecto Hungate1000 y Censo Mundial del Rumen
Iniciativas como el Censo Mundial del Rumen (Global Rumen Census) y el Proyecto Hungate1000, conducidos por notables científicos de diversas nacionalidades, con la participación de reconocidas instituciones a nivel mundial, tienen el principal propósito de ampliar la base científica de la diversidad y funcionalidad del microbioma ruminal, considerando como eje central -el estudio de las especies responsables de la emisión de “metano”.
Una primera publicación derivada del «Censo Mundial del Rumen» proporciona información sobre la composición del “microbioma ruminal” de rumiantes domésticos (bovinos, ovinos, bufalinos, caprinos), cérvidos y camélidos (llamas, guanacos y alpacas). Se utilizaron 742 muestras de contenido ruminal, de 32 especies, procedentes de 35 países (25).
Los resultados de este censo indican que:
- El ecosistema microbiano ruminal es dominado por un “núcleo”, constituido por microbios escasamente caracterizados.
- Hubo cierta variación en la composición de la comunidad bacteriana, probablemente debido a diferencias en la dieta, clima y prácticas agrícolas.
- La población “dominante de bacterias” y arqueas en las muestras estudiadas presenta un alto grado de similitud.
- Los 30 grupos bacterianos más “abundantes” se encontraron presentes en más del 90% de las muestras analizadas, y juntos constituyen el 89,4% de los datos de secuencia.
- A diferencia de las bacterias y arqueas, la población de protozoarios en las muestras mostró amplia variación en su composición.
- Las diferencias observadas en la composición de la comunidad microbiana se atribuyen principalmente a la dieta.
Por otra parte, el Proyecto Hungate1000 que se inició en el año 2012, produjo un catálogo de referencia del genoma microbiano ruminal, con datos de 480 bacterias y 21 arqueas cultivadas (26).
- En el Catalogo de Hungate se encuentra inscrito el “genoma” de más del 75% de los géneros de bacterias presentes en la comunidad microbiana, incluye 9 Filos, 48 Familias y 82 géneros.
- Se identificaron genes que codifican un aproximado de 33000 polisacaridasas.
- Se evaluaron vías metabólicas involucradas en la degradación de carbohidratos, producción de ácidos grasos volátiles y síntesis de metano, y también las especies implicadas.
Para los autores, la Colección Hungate constituye un gran avance del estado del conocimiento, y proporciona un recurso de referencia para mejorar la comprensión con respecto a la diversidad y actividad microbiana ruminal. Será de utilidad para apoyar el desarrollo de nuevas tecnologías de intervención nutricional, mejorar la eficiencia y productividad animal, y aprovechar el potencial biotecnológico del ecosistema ruminal.
A los datos del Catalogo Hungate1000 se suman los que aportaron Stewart et al.(27,28). En sus estudios, analizaron el genoma microbiano ruminal de bovinos mestizos Aberdeen Angus, Limousin y Charolais y, de animales puros de la raza Luing. Los hallazgos más relevantes se relacionan con la obtención de datos sobre la conformación del “proteoma”, particularmente de los genes involucrados en la diversidad proteica, actividad enzimática y vías metabólicas asociadas con la degradación de carbohidratos.
En otras investigaciones, igualmente destacadas, se revela el rol que tienen las bacterias que no forman parte el núcleo bacteriano, las cuales también tienen vínculos con la producción de ácidos grasos de cadena corta y contribuyen con la variación en los rasgos de producción de leche (29,30).
En términos generales, en el campo de la microbiología ruminal, los estudios metagenómicos avanzan a un gran ritmo. Cada vez, se dispone de mayor cantidad de información procedente de ensayos con diferentes especies de rumiantes en variadas condiciones geográficas, ambientales y de manejo, estados fisiológicos y dietas; de utilidad para mejorar el “estado del conocimiento” y compresión de la función ruminal.
Conocer y comprender la dinámica del “ecosistema retículo-rumen” es fundamental para el desarrollo de tecnologías y prácticas que favorezcan la intervención nutricional, y apoyen la producción eficiente de alimentos al tiempo que se mitigan las emisiones de gases de efecto invernadero.
Referencias bibliográficas
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Imagenes: 1 Mark Morrison; 2-Wei YQ et al. (2016). J. Appl. Microbiol. 20:571; 3-Lambie SC et al. (2015). Stand. Genomic Sci. 10:57; 4-Gürelli G and Yürücüoğlu. (2019). Protistology. 13: 71.
Por: Alis Teresa Márquez Araque
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