Aplicación de la Nutrigenómica para obtener Mayor Rendimiento y Ganancias en la Producción Animal

El estudio de la nutrigenómica básicamente implica la interacción entre nutrientes y genes (Astley, 2007). Sin embargo, al referirnos a la parte relacionada con la genómica, nos encontramos en un área muy amplia que abarca desde moléculas que codifican instrucciones para el desarrollo y funcionamiento del organismo (ADN) hasta simples cadenas de nucleótidos que actúan en la regulación de la transcripción de genes específicos (microARN). En los últimos 50 años se han logrado grandes avances utilizando mejoramientos genéticos en las especies utilizadas para producción animal. El mejoramiento genético a la vez ha permitido mejoras en el promedio de rendimiento observado en muchos aspectos como es la producción de leche, conversión de alimento, peso final y tiempo de cosecha (Green, 2009). Actualmente el reto es lograr la expresión del máximo potencial genético posible para obtener un mejor margen de rendimiento y ganancias. El máximo potencial genético es impulsado por el epigenoma; el cual incluye todos los factores que afectan el desarrollo del organismo sin cambiar las secuencias del ADN. La modificación del epigenoma puede ser heredada y también se puede dar a través de estímulos transmitidos por el ambiente en el que el organismo se desenvuelve desde su concepción hasta su senescencia. Los principales mecanismos conocidos que modulan cambios en el epigenoma son a través de metilación, modificación de histonas y ARN no codificante (Mueller y von Deimling, 2009). Además, dentro de los principales factores ambientales que causan cambios en el epigenoma se encuentran la dieta, la dieta materna, químicos, drogas y temperaturas extremas (Gallou-Kabani et al., 2007, Mathers y McKay, 2009).

Dentro de los factores mencionados, que afectan directamente el epigenoma, la dieta juega un papel muy importante en el ciclo de producción animal. La manera en la que convencionalmente hemos alimentado animales en las últimas décadas no ha mantenido el ritmo en cuanto a los avances tecnológicos que se han experimentado en biotecnología, bioinformática y otras aéreas de la industria que también afectan de manera directa la producción animal. Actualmente hay una gran necesidad de cerrar la brecha que existe entre la nutrición y la genómica. Finalmente se encuentra disponible la tecnología apropiada para evaluar diferentes estrategias nutricionales que nos permitan entender mecanismos que expliquen las mejoras en el rendimiento de la producción animal.

 

En todo organismo existe uno o varios genes que codifican las proteínas específicas encargadas de desarrollar, dar mantenimiento y reemplazar cada célula. Este ciclo está regulado por el proceso de transcripción de ADN, el cual puede ser inhibido o activado de acuerdo a diferentes estímulos. En este proceso, mediante el cual se transfiere información genética, el ARN es el principal intermediario y por lo consiguiente es trascendental en el estudio de la expresión de genes (Kuo et al., 2002). Actualmente es posible evaluar desde un gen hasta el genoma completo de un organismo, utilizando ARN de células o tejidos específicos. La principal ventaja de esta tecnología es que puede generar una cantidad de información substancial que hace posible el estudio de interacciones muy complejas, descubrir nuevos mecanismos, caracterizar cambios fisiológicos y al mismo tiempo nos permite reducir la experimentación animal (Raqib y Cravioto, 2009).

El diseño experimental utilizado para evaluar la expresión de genes es fundamental; éste debe de ser óptimo para capturar los mecanismos responsables del sistema bajo investigación y al mismo tiempo reducir al máximo las fuentes de variación. Después de obtener el ARN de interés, el reto es utilizar la tecnología que más se amolda a los objetivos. Además del presupuesto disponible, dos factores principales deben ser considerados para elegir la tecnología a utilizar: 1) la cantidad de genes a evaluar y 2) la cantidad de muestras biológicas a evaluar. Al considerar estos factores encontramos diversas opciones que permiten desde la evaluación cuantitativa de un gen utilizando PCR hasta la evaluación de un genoma completo utilizando microarrays (Figura 1). El uso de microarrays en específico, ha fomentado de manera agigantada el desarrollo del área de la Nutrigenómica. Comparado con métodos convencionales de investigación, que se enfocan en evaluar índices de crecimiento y desempeño y además requieren mucho tiempo, trabajo intenso y una gran cantidad de muestras para lograr observar diferencias estadísticas; el microarray permite la generación de una gran cantidad de información en un periodo corto de tiempo y utilizando un menor número de muestras experimentales.

El análisis y la interpretación de los resultados obtenidos durante la evaluación de la expresión génica es complejo debido al volumen de datos generados en la mayoría de los casos; sin embargo, gracias a las herramientas disponibles este proceso ya no es el cuello de botella en el sistema (van Iterson et al., 2009). Para el análisis de datos pueden darse distintos enfoques de acuerdo a los objetivos que se pretenden alcanzar (Adjaye, 2005). Para caracterizar resultados observados en rendimiento o para validar mecanismos conocidos en los cuales se observa un cambio biológico verdadero es necesario utilizar un alto rigor en los parámetros estadísticos. En cambio, para investigar nuevos mecanismos o para buscar evidencia de interacciones que lideren a nuevas hipótesis se puede utilizar un menor rigor estadístico. El uso de programas y bases de datos electrónicas juegan un papel muy importante para la interpretación de resultados; estas herramientas contribuyen con múltiples funciones entre las cuales están: la clasificación de genes de acuerdo a funciones y vías biológicas. Además estos programas atribuyen una dirección cuantitativa (activación o inhibición) de las funciones o vías biológicas, la cual facilita la interpretación y eventualmente la comunicación de resultados de manera sistemática.

 

La exposición a diferentes estímulos durante periodos críticos puede reprogramar de manera permanente el desarrollo fisiológico. En producción avícola, la dieta es un factor de suma importancia, sin embargo las nuevas estrategias sugieren hacer énfasis en no solamente decidir cuál dieta alimentar sino también en cuándo alimentar dicha dieta. Un ejemplo claro es la alimentación in ovo; al utilizar esta estrategia se pretende sincronizar la administración de nutrientes altamente digeribles en el amnios del embrión justamente cuando este comienza a digerir el fluido amniótico. Resultados de microarray han logrado identificar un perfil diferente de expresión génica cuando se administra la alimentación in ovo y al mismo tiempo han logrado identificar genes que conforman funciones biológicas relacionadas con el desarrollo acelerado del sistema digestivo que indirectamente beneficia el desarrollo muscular y del sistema inmune (Uni et al., 2005). Utilizando la expresión de genes se ha podido optimizar el tiempo de la administración in ovo de nutrientes, además se ha optimizado una combinación de suplementos enfocados en activar genes relacionados con la producción de mucina y la activación de receptores que activan el sistema inmune.

Otra estrategia nutricional desarrolladla a través de la nutrigenómica en el área de producción avícola consiste en el uso de una dieta de acondicionamiento. Las primeras noventa horas de la vida de un pollo después de la eclosión determinan la habilidad del animal para utilizar nutrientes específicos. Resultados recientes de microarray han demostrado que si se alimenta una dieta restringida en nutrientes durante éste periodo de tiempo, se pueden activar genes que estimulan ciertos receptores en el tracto digestivo que resultan en diferencias significativas en el rendimiento del animal (Articulo en revisión). La principal función de los microarrays en esta estrategia, ha sido identificar un patrón específico (Figura 2) de expresión génica modulado por nutrientes en la dieta, éste resulta en carne más magra y con vida de anaquel más larga (debido a una mejor estabilidad oxidativa).

En el área de producción porcina se ha utilizado la nutrigenómica para evaluar la nutrición pre y post natal. Esto se debe a que algunos puntos críticos en el desarrollo muscular de los cerdos, se dan durante la gestación y los primeros días de vida; al utilizar una estrategia nutricional apropiada durante este tiempo, los lechones son situados en un escenario de rendimiento superior para el resto del ciclo de producción. La suplementación en la dieta materna a base de manano-oligosacáridos, promueve la salud e integridad gastrointestinal durante la gestación; a la vez estos beneficios son transmitidos a los lechones a través de la placenta e inmunidad pasiva. Resultados de expresión génica obtenidos a partir de tejidos gastrointestinales en lechones a los 23 días de vida demuestran ventajas en el desarrollo y funcionamiento del tracto digestivo (Articulo en revisión). Además se ha observado un mayor potencial de crecimiento debido a estimulación del factor de crecimiento similar a la insulina tipo 1 (IGF1) y se ha observado la estimulación del apetito debido a la inhibición de colecistoquinina (CCK).

También en la investigación enfocada en ganado lechero el uso de microarrays ha revolucionado las estrategias nutricionales. Un ejemplo claro es la nutrición de la vaca en el periodo de transición, en el cual los requerimientos nutricionales cambian dramáticamente al momento del parto debido al comienzo de la lactancia. Resultados de microarray han permitido identificar distintos modelos que se enfocan en la comunicación entre los principales tejidos involucrados en la producción y uso de energía durante el periodo de transición (hígado, glándula mamaria, útero y tejido adiposo) y además el control del consumo de alimento. Los resultados de expresión génica han indicado que al alimentar los animales estrictamente de acuerdo a sus requerimientos durante el periodo seco (sin exceder el nivel de energía nutricional requerido, el cual comúnmente se excede al alimentar at libitum), se incita un largo incremento en gluconeogénesis y utilización de amino ácidos como la principal adaptación hepática para iniciar el periodo de lactancia (Bionaz y Loor, 2012). Además los modelos mencionados anteriormente, han identificado los genes específicos que activan el catabolismo de lípidos en el hígado, el cual es común al inicio de la lactancia.

Nuevas iniciativas de investigación utilizando la nutrigenómica también son empleadas para caracterizar la población bacteriana en el tracto gastrointestinal de diferentes especies. En equinos, la investigación actual usando la secuenciación de próxima generación ha permitido identificar perfiles de bacterianos que corresponden a diferentes tipos de fermentación moderada por suplementos nutricionales o diferentes niveles de almidón en la dieta. El objetivo es caracterizar up perfil bacteriológico que promueva la salud gastrointestinal y que a la vez sea resistente a cambios agudos en la dieta (sobrecargas nutricionales en el nivel de almidón).

 

La investigación realizada utilizando la nutrigenómica proporciona un vasto nivel de información y conocimiento que facilitan el entendimiento y la aplicación de nuevas estrategias nutricionales; estas estrategias permiten alcanzar una mejor expresión del potencial genético. El uso de esta nueva tecnología, también nos permitirá redefinir no solamente los requerimientos nutricionales sino también la naturaleza de los requerimientos, considerando las diferentes modulaciones en expresión génica que determinen un mayor margen de rendimiento y ganancias. El principal reto para el futuro consiste en transmitir de manera práctica y sistemática los mecanismos con potenciales beneficios biológicos a la industria.

 

 

Figura 1. Esquema de las tecnologías disponibles para utilizar en la evaluación de expresión génica de acuerdo a la cantidad de genes y muestras biológicas a evaluar.

 

Figura 2. Clasificación jerárquica sin supervisión de las muestras correspondientes a un experimento de expresión génica utilizando microarrays. La imagen muestras parcialmente los diferentes perfiles de expresión génica que se han formado de acuerdo a las diferentes estrategias nutricionales.