Antecedentes: ¿Cómo influyen los genes de las vacas lecheras en las emisiones de metano?

Un estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) informa que la 6-hidroximelatonina, producida en el hígado de las vacas lecheras, promueve el crecimiento de bacterias ruminales y contribuye a reducir la producción de metano. El equipo analizó datos del genoma del hospedador, de los genomas de los microbios ruminales y del metaboloma de 304 vacas Holstein en lactación. Después rastreó la vía desde los genes del hospedador hasta la fermentación microbiana mediante fermentación in vitro y experimentos con células hepáticas bovinas. El vínculo clave conecta el metabolismo hepático con los microbios del rumen.

El metano producido por los microbios ruminales es un gas de efecto invernadero y una fuente de pérdida de energía del alimento. Además de ajustar la dieta y usar aditivos, se estudia la selección genética de ganado que emita menos metano. Sin embargo, aún se conoce poco sobre cómo determinadas variantes genéticas influyen en las emisiones por medio de metabolitos y microbios. Este estudio buscó aclarar ese proceso.

Hallazgos principales: una vía que conecta un metabolito hepático con bacterias que utilizan hidrógeno

La medida principal fue la emisión de metano por kilogramo de materia seca ingerida (M/D), es decir, cuánto metano se produce por cada kilogramo de alimento consumido, sin contar el agua. El M/D no se midió directamente en las 304 vacas: se predijo con un modelo existente de red neuronal artificial. La heredabilidad estimada en esta cohorte fue de 0,42, y la proporción de varianza explicada por la información del microbioma fue de 0,19. Son estimaciones para esta cohorte y este modelo; no significan que los genes determinen el 42 % de las emisiones de cada vaca.

El análisis de aleatorización mendeliana (MR), que utiliza variantes genéticas para estimar relaciones causales, vinculó tres especies de Prevotella con un M/D menor. En particular, el genoma de la cepa B14 de Prevotella bryantii contenía un gen de hidrogenasa [NiFe] del grupo 1d. El análisis de redes respaldó la posibilidad de que esta bacteria compita por el hidrógeno con los microbios productores de metano. Al añadir la cepa a un sistema de fermentación ruminal in vitro, también disminuyó la producción de hidrógeno y metano.

Los investigadores señalaron la 6-hidroximelatonina como un metabolito derivado del hospedador que regula estas bacterias. En una fermentación in vitro de 6 horas a 39 °C, la adición de 0,1 mM no tuvo un efecto significativo en la producción de gases, mientras que 1 mM redujo significativamente el metano. La producción total de gas no cambió de manera significativa. En cultivo puro, 1,5 mM fue la concentración que promovió con mayor claridad el crecimiento de P. bryantii B14, pero el mismo efecto no se observó con 2 mM.

La vía reguladora situada aguas arriba se examinó en células hepáticas bovinas. Al inhibir la expresión de ITFG2, se activó el complejo 1 de la diana mecanística de la rapamicina (mTORC1), un sistema de señalización metabólica celular, y aumentaron la expresión de CYP1A2, una enzima que metaboliza la melatonina, y la síntesis de 6-hidroximelatonina. El tratamiento con rapamicina, un inhibidor de mTORC1, bloqueó esos aumentos. Estos resultados deben distinguirse de experimentos que evalúen la reducción del metano mediante la modificación genética de vacas lecheras vivas.

Implicaciones y perspectivas: un marcador candidato para selección genética y validaciones pendientes

En la variante 5:106926534, cercana a ITFG2, el genotipo TA se asoció con un M/D predicho menor. Las mediciones en una granja distinta, en 31 vacas lecheras durante 14 días con cámaras automáticas para la cabeza, mostraron una asociación en la misma dirección. El M/D medido fue significativamente menor en las 14 vacas TA que en las 17 AA, pero no hubo diferencias significativas en las emisiones absolutas diarias de metano ni en la ingesta de materia seca. Por tanto, el resultado no demuestra una reducción de las emisiones totales.

Los hallazgos aportan respaldo a la investigación sobre selección genética para reducir el metano que integra la genética del hospedador, los metabolitos hepáticos y los microbios ruminales. Sin embargo, aún no se sabe con precisión cómo esta variante modifica la expresión de ITFG2 ni cómo el metabolito promueve el crecimiento bacteriano. La tendencia al aumento de P. bryantii y de las hidrogenasas relacionadas en las vacas TA tampoco alcanzó significación estadística. Queda por comprobar la reproducibilidad en otros rumiantes y evaluar los efectos a largo plazo y la seguridad de administrar el metabolito a animales vivos.

El diseño y los resultados del estudio pueden consultarse en el artículo completo de PNAS.