Proyecto H2020 MASTER: Aplicaciones del microbioma para sistemas alimentarios sostenibles a través de tecnologías y empresas
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2019 -2023
- Presupuesto asignado 10.950.171,9 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto Proyecto MASTER
Descripción
Aunque los microorganismos dominan casi todos los nichos ecológicos de nuestro planeta, solo en los últimos 10 a 15 años hemos comenzado a comprender mejor la composición y la función de las comunidades microbianas (microbiomas) gracias a los importantes avances en las tecnologías de secuenciación de ADN de alto rendimiento (HTS). Estos enfoques han permitido un análisis exhaustivo de los microbiomas por primera vez. Tras las investigaciones iniciales sobre microbiomas impulsadas por la curiosidad mediante tecnologías HTS, el campo ha evolucionado para aprovechar los conocimientos obtenidos, lo que ha dado lugar al desarrollo de una nueva industria multimillonaria centrada en la caracterización y modulación de los microbiomas. La gran mayoría de esta inversión se ha destinado al ámbito clínico. Por el contrario, se sabe mucho menos sobre los microbiomas en las complejas cadenas alimentarias, lo que dificulta el aprovechamiento de los datos microbianos de la cadena alimentaria para el desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles y la obtención de productos y aplicaciones innovadores. Esto ocurre a pesar de la evidente importancia de los microbios en toda la cadena alimentaria. MASTER adoptará un enfoque global para el desarrollo de productos, alimentos, servicios o procesos microbianos concretos con alto potencial comercial. Estos productos beneficiarán a la sociedad al mejorar la cantidad, calidad y seguridad alimentaria en múltiples cadenas alimentarias, incluyendo alimentos marinos, vegetales, suelo, rumen, cárnicos, cerveceros, residuos vegetales y fermentados. Esto se logrará mediante la extracción de datos microbianos relacionados con la cadena alimentaria, el desarrollo de herramientas de gestión de big data para identificar las interrelaciones entre los microbiomas a lo largo de las cadenas alimentarias y la generación de aplicaciones que promuevan la sostenibilidad y la circularidad, y contribuyan a la gestión de residuos y la mitigación del cambio climático. Aprovecharemos el conocimiento microbiano para mejorar significativamente la salud y la resiliencia de peces, plantas, suelo, animales y humanos, mejorar las habilidades y competencias profesionales y apoyar la creación de nuevos empleos en el sector alimentario y la bioeconomía.
Descripción de actividades
Dominando el microbioma vegetal: Desarrollamos soluciones basadas en el microbioma para mejorar la producción, optimizar la calidad y controlar enfermedades en cultivos forrajeros. Ensayos con cepas promotoras del crecimiento vegetal, cepas de biocontrol vegetal y formulaciones desarrolladas evaluaron la compatibilidad y eficacia de estos microorganismos. Se desarrolló e introdujo en el mercado una formulación en pellets para biofertilizante a base de micorrizas. Se avanzó en el desarrollo de una herramienta de diagnóstico basada en el microbioma para la detección de patógenos y la predicción de la eficiencia de colonización.
Dominando el microbioma marino: Nuevas soluciones basadas en el microbioma propiciaron un aumento de los efectos beneficiosos de los alimentos acuícolas sostenibles. Se determinó el efecto de las cepas probióticas en el crecimiento de los peces. Además, se evaluaron la calidad del filete y los valores sensoriales del salmón del Atlántico, alimentado con y sin probióticos. También se obtuvieron resultados prometedores que contribuyen a un protocolo rápido para la detección de patógenos en sistemas acuícolas.
Dominando el microbioma ruminal: Mediante la manipulación del microbioma ruminal, MASTER mejoró la producción de rumiantes, a la vez que redujo las emisiones de metano y proporcionó productos cárnicos y lácteos saludables. Se estudió un gran número de animales para investigar el impacto de la crianza, diversos aditivos alimentarios y moduladores del microbioma en la eficiencia alimentaria y las emisiones de metano, vinculando el microbioma ruminal con los fenotipos. Esto puso de manifiesto diversos enfoques que merecen aplicación, individualmente o en combinación, a mayor escala. También se determinó el beneficio de la modulación del microbioma ruminal en etapas tempranas de la vida para la salud y el bienestar, a la vez que se desarrollaron modelos matemáticos de la actividad microbiana ruminal para predecir y diseñar estrategias adicionales de control del metano.
DOMINIO de los microbiomas alimentarios y la salud intestinal humana: Proporcionamos a la industria alimentaria procedimientos actualizados de mapeo del microbioma para investigar los contaminantes microbianos a lo largo de las líneas de procesamiento de alimentos, lo cual puede aplicarse para mejorar la calidad y la seguridad alimentaria, reducir los periodos de espera y el desperdicio de alimentos. Gracias a esta iniciativa, se generó una nueva base de datos completa que permite que los enfoques basados ??en la secuenciación de ADN identifiquen con mucha mayor precisión los microorganismos presentes en la cadena alimentaria. En otro trabajo, se desarrollaron nuevos ingredientes para alimentos y piensos a partir de residuos alimentarios, mientras que, en paralelo, se desarrollaron nuevas estrategias de biopreservación de mariscos y carnes. También se analizaron datos del microbioma y la dieta, explorando la relación entre la dieta y el microbioma intestinal y destacando además la importancia de los alimentos fermentados como fuente de bacterias potencialmente probióticas.
Estándares MASTER: Creamos un enfoque unificado para el análisis de microorganismos de la cadena alimentaria y estandarizamos métodos validados para el procesamiento del microbioma de muestras de diferentes entornos y para distintos tipos de secuenciación de ADN. Se desarrolló e implementó un flujo de trabajo bioinformático para el perfilado de datos metagenómicos de la cadena alimentaria. Se crearon dos bases de datos: CuratedFoodMetagenomicDatabase (que contiene todos los metagenomas de alimentos/producción alimentaria disponibles públicamente, incluidos los datos MASTER) y foodGenVir (a nivel de cepas microbianas individuales o genes asociados con características de interés). Los protocolos y bases de datos estarán disponibles próximamente en un portal web abierto una vez finalizado el proyecto (que se ampliará a través del proyecto DOMINO) y tienen el potencial de revolucionar las pruebas de microbiología alimentaria en el futuro.
Descripción contextual
Los microorganismos existen en todos los nichos ecológicos: desde las superficies que tocamos hasta los alimentos que consumimos, e incluso en nuestro interior, siendo muchos de ellos esenciales para nuestra salud. Anteriormente, los científicos utilizaban placas de agar y microscopios para estudiar estos microorganismos, pero ahora empleamos tecnologías de secuenciación de ADN para descubrir la composición y la función potencial de las comunidades microbianas. Científicos de toda Europa, en el marco de la Acción de Innovación H2020 MASTER, utilizaron estas tecnologías para mapear los microbiomas en diversas cadenas alimentarias, obteniendo datos para el desarrollo de sistemas alimentarios más seguros, de mayor calidad, más saludables y más sostenibles. Nuestros investigadores han extraído estos datos del microbioma, desarrollado herramientas de gestión de big data, identificado relaciones entre los microbiomas en las cadenas alimentarias y generado aplicaciones que promueven la sostenibilidad y contribuyen a la gestión de residuos y la mitigación del cambio climático. MASTER ha dado lugar a productos y aplicaciones innovadores, como productos, alimentos y piensos para el microbioma, servicios y procesos.
Objetivos
Aunque los microorganismos dominan casi todos los nichos ecológicos de nuestro planeta, sólo ha sido durante los últimos 10 a 15 años que hemos comenzado a obtener conocimientos sobre la composición y función de las comunidades microbianas (microbiomas) como consecuencia de importantes avances en las tecnologías de secuenciación de ADN de alto rendimiento (HTS). Estos enfoques han permitido por primera vez un análisis exhaustivo de los microbiomas. Tras las investigaciones iniciales de microbiomas impulsadas por la curiosidad que utilizan tecnologías HTS, el campo ha evolucionado para aprovechar los conocimientos proporcionados, lo que ha llevado al desarrollo de una nueva industria multimillonaria centrada en la caracterización y modulación de microbiomas. La gran mayoría de esta inversión se ha realizado en el espacio clínico. Por el contrario, se sabe mucho menos sobre los microbiomas en cadenas alimentarias complejas, lo que dificulta aprovechar los datos de los microbiomas de la cadena alimentaria para el desarrollo de sistemas alimentarios más sostenibles y producir productos y aplicaciones innovadores. Esto a pesar de la evidente importancia de los microbios a lo largo de la cadena alimentaria. MASTER adoptará un enfoque global para el desarrollo de productos, alimentos/piensos, servicios o procesos de microbioma concretos con un alto potencial comercial, que beneficiarán a la sociedad mediante la mejora de la cantidad, la calidad y la seguridad de los alimentos, a lo largo de múltiples cadenas alimentarias, que incluyen alimentos marinos, vegetales, del suelo, ruminales, cárnicos, cerveceros, desechos vegetales y alimentos fermentados. Esto se logrará mediante la extracción de datos de microbiomas relacionados con la cadena alimentaria, el desarrollo de herramientas de gestión de big data para identificar las interrelaciones entre los microbiomas a lo largo de las cadenas alimentarias y la generación de aplicaciones que promuevan la sostenibilidad, la circularidad y contribuyan a la gestión de residuos y la mitigación del cambio climático. Aprovecharemos el conocimiento del microbioma para mejorar significativamente la salud y la resiliencia de los peces, las plantas, el suelo, los animales y los humanos, mejorar las habilidades y competencias profesionales y apoyar la creación de nuevos empleos en el sector alimentario y la bioeconomía.
Resultados
Los microorganismos proliferan en todas partes, incluso dentro de nosotros. Las soluciones pioneras basadas en microorganismos abren el camino hacia alimentos y piensos sostenibles que promueven la salud, la reducción de residuos y una agricultura optimizada.
El conjunto de microorganismos, como bacterias, hongos y virus, conocido como microbioma, influye en nuestro bienestar, influyendo en todo, desde la digestión hasta la respuesta inmunitaria. Los microbiomas también existen en todos los sistemas agroalimentarios. Comprender estos microorganismos y sus complejas interacciones entre sí y con sus entornos es fundamental para garantizar una producción alimentaria más segura y sostenible.
Procedimientos coherentes para el mapeo del microbioma
El proyecto MASTER , financiado con fondos europeos, se centró en descifrar las intrincadas relaciones entre los microbiomas en sistemas alimentarios interconectados, como el marino, el vegetal, el suelo, el rumen y los alimentos. «Mediante el empleo de tecnologías de secuenciación de ADN basadas en el microbioma, el objetivo principal fue diseñar sistemas que mejoraran la calidad, la sostenibilidad y la capacidad de promover la salud de las cadenas agroalimentarias, los alimentos y los piensos generados», explica el coordinador del proyecto, Paul Cotter. Para lograrlo, garantizar un análisis coherente de los microbiomas y mantener la comparabilidad a lo largo de la cadena alimentaria, el consorcio estandarizó los procedimientos de recogida, conservación y almacenamiento de muestras. El desarrollo de procedimientos operativos estándar en todas las etapas del proceso de análisis minimizó los posibles errores, evitando sesgos e interpretaciones erróneas de los datos.
Nueva tecnología
Más específicamente, MASTER desarrolló un nuevo protocolo y un kit de extracción de ADN asociado para facilitar el muestreo eficiente para el análisis de microbiomas basado en ADN, incluso en casos donde esto resulta difícil debido a la baja presencia de microorganismos. Cabe destacar que la aplicación de este protocolo a miles de muestras de diferentes entornos de procesamiento de alimentos condujo a la creación de la base de datos CuratedFoodMetagenomic, un recurso invaluable que la industria puede utilizar para detectar con precisión los microorganismos presentes en los alimentos. Estas herramientas pueden utilizarse en combinación con una herramienta de secuenciación de ADN portátil y rápida para detectar microorganismos problemáticos.
Mejorar la producción de alimentos y piensos
Reconociendo el papel fundamental de los microbiomas vegetales en el fortalecimiento de los mecanismos de defensa de las plantas contra patógenos y el fomento del crecimiento vegetal, los científicos desarrollaron cepas microbianas para combatir hongos patógenos en cultivos como el maíz y biofertilizantes para mejorar la calidad del pasto. En acuicultura, las soluciones basadas en el microbioma, incluyendo cepas probióticas y bioconservantes, mostraron resultados prometedores en la mejora del crecimiento de los peces y la calidad de los filetes. MASTER también profundizó en el microbioma de rumiantes como vacas, ovejas y cabras. Este microbioma es de vital importancia ya que, dependiendo de su composición, puede afectar la capacidad de extracción de proteínas y otros nutrientes del alimento animal, y también contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero (principalmente metano). "Modular el microbioma de los rumiantes puede reducir el impacto ambiental y también conducir a productos cárnicos y lácteos sostenibles y de mejor calidad", afirma Cotter.
Abordar el desperdicio de alimentos y más allá
El desperdicio mundial de alimentos, que representa casi un tercio de la producción total de alimentos, se abordó mediante tecnología de procesamiento de alimentos para convertir los desechos en ingredientes beneficiosos. Los investigadores también estudiaron la fermentación como método de conservación natural. «Los alimentos fermentados, ricos en bacterias beneficiosas, mejoran la calidad, la seguridad y la digestión de los alimentos, y ofrecen beneficios para la salud», explica Cotter. Un estudio exhaustivo de varios alimentos fermentados abre la puerta a nuevos alimentos optimizados con respecto a estos atributos. Cotter destaca: «Más de veinte innovaciones han surgido de MASTER, cada una identificada por su inmenso potencial». De cara al futuro, el consorcio MASTER continuará la investigación en nuevos proyectos de la UE, como DOMINO y HoloRuminant , garantizando un progreso sostenido y continuo en estas áreas fundamentales.
Información adicional
Se desarrollaron y probaron nuevas formulaciones para la aplicación de hongos micorrízicos arbusculares y bacterias de biocontrol, con varios resultados positivos. También se reveló el potencial de la tecnología ONT para la detección de patógenos en el suelo y se establecieron nuevas herramientas bioinformáticas. Se lograron avances considerables en la optimización de alimentos acuícolas sostenibles. Se avanzó en la detección rápida de patógenos de peces en sistemas acuícolas. Las posibles implicaciones socioeconómicas y sociales incluyen la reducción de la dependencia del uso de harina de pescado en la acuicultura y una utilización más eficiente del alimento.
Estudios con rumiantes ilustraron el potencial de criar animales con menores emisiones de metano, estableciendo que numerosas intervenciones dietéticas redujeron aún más las emisiones de metano, aumentaron la productividad y/o garantizaron productos nutritivos. El uso de compuestos fenólicos para redirigir el hidrógeno y reducir las emisiones de metano, a la vez que proporciona más energía al animal, es muy prometedor. Asimismo, la inclusión de microalgas en la dieta de corderos mostró beneficios para la salud (mayor contenido de omega-3), a la vez que redujo las emisiones de metano. Los avances en modelización conducirán a estrategias nutricionales innovadoras para rumiantes que buscan mitigar el metano, maximizar la salud y la productividad animal.
MASTER ha generado procedimientos validados para mapear los microbiomas en la industria alimentaria, promoviendo la optimización de procesos, la reducción de desperdicios y la mejora de la calidad e inocuidad de los alimentos. Se estableció un mapa de las interconexiones entre productos alimenticios, nutrientes, microorganismos y el microbioma intestinal humano, que ayudará a proporcionar recomendaciones dietéticas para beneficiar la salud humana. MASTER ha logrado avances significativos en la disponibilidad de estrategias para la biopreservación de mariscos y carnes. También se han desarrollado procedimientos para la valorización de flujos de residuos de cervecería y frutas para producir alimentos e ingredientes. El efecto positivo de los ingredientes valorizados en la microbiota intestinal humana se ha validado en estudios in vitro de colon.
El desarrollo de protocolos armonizados, una comunidad simulada y procesos analíticos automatizados dentro de MASTER, especialmente dedicados a los ecosistemas relacionados con los alimentos, mejorará la estandarización y el potencial de las tecnologías de secuenciación para la cadena alimentaria. Las bases de datos MASTER, recientemente generadas, proporcionan perfiles de microbiomas asociados a los alimentos, con datos complementarios, y cepas o genes asociados con la virulencia, patogenicidad, potencial de deterioro y resistencia a los antimicrobianos, que serán esenciales para la aplicación a largo plazo de las tecnologías de secuenciación en el análisis de alimentos. Se trata de bases de datos novedosas y estarán disponibles gratuitamente.
Estos resultados tendrán implicaciones importantes, ya que mejorarán la comprensión de los microbiomas asociados con las cadenas alimentarias y abordarán desafíos sociales clave, incluida la seguridad alimentaria y nutricional, la salud y el bienestar, la gestión del desperdicio de alimentos y la adaptación y mitigación del cambio climático.
Coordinadores
- TEAGASC - AGRICULTURE AND FOOD DEVELOPMENT AUTHORITY
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