Déficit de hierro y posterior reforzamiento del metal producen cambios en la estructura de la microbiota intestinal de Drosophila melanogaster

Abstract

El hierro es un micronutriente esencial para los seres vivos, presentando una gran variedad de funciones para el organismo. Si bien, estudios previos indican que alteraciones en las concentraciones de hierro inducen cambios en la abundancia de especies de la comunidad microbiana intestinal, a la fecha desconocemos si estos cambios impactan sobre la estructura de las interacciones del microbioma. En este contexto, el presente trabajo estudió mediante las construcciones de redes de coocurrencia, posibles modificaciones en la estructura de las interacciones del microbioma intestinal de D. melanogaster frente a dos eventos de cambio en la disponibilidad de hierro. Para esto, primero se ajustó un protocolo en etapas que permitió generar un escenario de disminución de hierro con un posterior reforzamiento del metal. Nuestra estrategia experimental de déficit logró una disminución de hierro intestinal de un 52%, valor similar al que se encuentra en cuadros de anemias por falta de hierro en humanos. La etapa de reforzamiento de hierro permitió elevar los niveles de hierro en un 100% por sobre el valor control, exceso similar a la dieta de reforzamiento utilizada como luego terapia de reforzamiento de hierro en humanos. Como segundo objetivo se determinó la abundancia de las especies presentes en el intestino de D. melanogaster. Nuestros resultados mostraron una población bacteriana con una riqueza acotada, entre 20 a 8 Unidades Taxonómicas Operativas (OTUs) totales. Dentro del grupo control, un 99% de la abundancia perteneció a las clases Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria y Bacilli, porcentaje que se mantuvo constante durante todo el protocolo. Producto del déficit de hierro, se observaron cambios importantes en la abundancia de estas clases predominantes, destacando una disminución de la clase Alphaproteobacteria de un 81% a un 23% y el aumento de la clase Gammaproteobacteria de 13% a un 57%. Posterior al evento de reforzamiento de hierro, este cambio observado se logró revertir hasta alcanzar valores similares obtenidos en la situación control, dando cuenta de una capacidad de resiliencia de la comunidad microbiana intestinal de D. melanogaster frente a cambios en disponibilidad del metal. Finalmente, con esta información se diseñaron las redes de coocurrencia para visualizar las estructuras de interacciones del microbioma. El modelo de déficit indicó que existe un reordenamiento de la red de interacciones en relación al modelo control, destacando el aumento de interacciones negativas entre nodos de la clase Alphaproteobacteria y Bacilli, lo que sugiere una posible competencia directa por el nicho, y un aumento en las interacciones positivas entre miembros de las clases Bacilli y Gammaproteobacteria, las cuales estarían interactuando de forma indirecta, posiblemente compartiendo algún metabolito. El modelo de reforzamiento presentó la misma estructura respecto al control, reforzando la idea de la capacidad de resiliencia del microbioma también a nivel de las interacciones entre los miembros de la comunidad, destacando la presencia de 7 OTUs pertenecientes al filo Firmicutes como elementos claves para mantener la estructura de interacciones dentro de las redes. Como conclusión, nuestro trabajo permite estudiar la estructura de interacciones del microbioma bajo un protocolo de déficit y posterior reforzamiento de hierro, información que puede ser útil para la generación de dietas basadas en probióticos, administrando los organismos claves para las estructura de interacciones, en conjunto con el suplemento en la dieta, sumado a que nuestra estrategia experimental puede aplicarse perfectamente al estudio de otros metales esenciales como zinc y cobre, tanto para estas condiciones como también para tratamientos en la dieta distintos

Iron is an essential micronutrient for living beings, presenting a great variety of functions for the organism. Although there are studies indicating that alterations in the concentrations of iron induce changes in the abundance of species of the intestinal microbial community, to date we do not know if these changes impact on the structure of the microbiome interactions. In this context, the present work studied through the construction of co-occurrence networks, possible changes in the structure of the interactions of the intestinal microbiome of D. melanogaster under two events of iron availability. To achieve this, a STAGE protocol was adjust in a first instance, allowing to produce a scenario of iron deficiency and subsequent metal reinforcement. Our strategy allowed the decrease of the intestinal metal by 52%, a similar value to those observed during human anemias due to iron deficiency. On the other hand, the iron reinforcement stage, allowed a Fe raise levels of 100% above control values, an excess similar to the one obtained after the metal reinforcement therapy used in humans. As a second objective, the abundance of the species present in the intestine of D. melanogaster was determined. Our results showed a bacterial population with a limited richness, between 20 to 8 Operational Taxonomic Units (OTUs). Inside the control group, a 99% of the intestinal microbiome abundance belongs to the Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria and Bacilli classes, iron deficiency promotes a decrease in the Alphaproteobacteria class from 81% to 23% and, the increase in the Gammaproteobacteria class from 13% to 57%. After the iron reinforcement event, we observed that these species manage to recover their abundance, getting values similar to the control group, realizing a resilience capacity of the intestinal microbial community of D. melanogaster against changes in metal availability. Finally, using this information the co-occurrence of networks were designed to visualize the structures of microbiome interactions. The deficit model showed a rearrangement of the network of interactions in relation to the control model, highlighting the increase in negative interactions between nodes of the Alphaproteobacteria and Bacilli classes. This suggests a possible direct competition for the niche, and an increase in positive interactions between members of the Bacilli and Gammaproteobacteria classes, which would be interacting indirectly, possibly through the sharing of some metabolites. The reinforcement model has the same structure in relation to the control model, reinforcing the idea of the capacity of microbiome resilience also at the level of interactions between its community members, highlighting the presence of 7 OTUs belonging to the Firmicutes family as key members in the maintaining of the interactions structure within networks. Our work allowed us to study the structure of microbial interactions under a deficit protocol and subsequent iron reinforcement, information that can be useful for the generation of diets based on probiotics, managing the key organisms for the structure of interactions, together with the supplement in the diet, added to the fact that our experimental strategy can be perfectly applied to the study of other essential metals like zinc and copper both for these conditions and also for different dietary treatments