El término microbioma proviene del griego micro ('pequeño') bios ('vida'), usado por primera vez por J. L. Mohr en 1952 para hacer referencia a los microorganismos presentes en un entorno específico. Fue definido originalmente por Whipps et al. en 1988 como «una comunidad microbiana característica que ocupa un hábitat razonablemente bien definido que tiene propiedades fisicoquímicas distintas. El término, por tanto, no sólo se refiere a los microorganismos implicados, sino que también abarca su teatro de actividad».
En 2020, varios expertos en este campo plantearon una definición del microbioma basada en la original, caracterizada por ser compacta y clara. En la propuesta, se complementa la descripción con dos declaraciones explicativas.
La primera declaración describe el carácter dinámico del microbioma:
El microbioma se define como una comunidad microbiana característica que ocupa un hábitat bien caracterizado, con distintas propiedades fisicoquímicas. Éste no solo se refiere a los microorganismos involucrados sino que también engloba su teatro de actividad, lo que resulta en la formación de nichos ecológicos específicos. El microbioma, que forma un microecosistema dinámico e interactivo propenso a cambiar, está integrado en macroecosistemas, en los cuales se incluyen los huéspedes eucariotas. En estos, es crucial para su funcionamiento y salud.
La segunda declaración explicativa distingue los términos microbiota y microbioma:
La microbiota consiste en el ensamblaje de microorganismos que pertenecen a diferentes reinos (procariotas –por ejemplo, bacterias y arqueas–, eucariotas –por ejemplo, protozoos, hongos y algas–); mientras que su teatro de actividad incluye estructuras microbianas, metabolitos, elementos genéticos móviles (como transposones, plásmidos y virus) y ADN reliquia incrustado en las condiciones ambientales del hábitat.
Por lo tanto, el microbioma consiste en una colección de microorganismos que viven en conjunto, que interactúan entre sí en un entorno contiguo. Así pues, no solo se basa en este conjunto de microorganismos sino que también incluye sus genomas y distintos metabolitos, además de las condiciones ambientales a las que están sometidos y su interrelación con el organismo huésped.
En el siglo XVII empezó la investigación sobre el microbioma, originada en el ámbito de la microbiología. El desarrollo de nuevas técnicas y equipos ha impulsado la investigación microbiológica, provocando cambios en la comprensión de la salud y la enfermedad. La enfermedades infecciosas han afectado a las poblaciones humanas durante la mayor parte de la historia, por lo que la microbiología médica fue el foco inicial de investigación e interés público. Además, otro campo antiguo de aplicación empírica es la microbiología de los alimentos.
Gracias al desarrollo de los primeros microscopios, se permitió el descubrimiento de este ámbito nuevo y desconocido en el siglo XVII, posibilitando la identificación de microorganismos. Inicialmente, Anton van Leuuwenhoek investigó diversas formas de bacterias, hongos y protozoos. Los obtuvo a partir de muestras de agua y de placa dental y los llamó "animáculos". Destacadamente, descubrió las biopelículas o biofilms como interacción de los microorganismos dentro de las comunidades. Robert Koch fue otro investigador que participó en el avance en el ámbito de la microbiología al describir las enfermedades humanas y animales como consecuencia de infecciones microbianas y al desarrollar el concepto de patogenicidad. Estos descubrimientos cambiaron el pensamiento del público y el enfoque de la comunidad investigadora respeto el papel de los microorganismos como agentes causantes de enfermedades y que, por lo tanto, debían eliminarse.
Durante el siglo XIX, hubo una investigación exhaustiva que demostró que sólo una pequeña proporción de microorganismos se asocia a enfermedades y patogenicidad. La gran parte restante de microbios son esenciales para el funcionamiento de los ecosistemas, además de constar de interacciones beneficiosas con tanto microorganismos como macroogranismos. A finales de este siglo, empezó la ecología microbiana con el trabajo de Martinus W. Beijerinck y Serguéi Vinogradsky que supuso otro cambio de paradigma. En este caso, se definió que los microorganismos están en todas las partes de los entornos naturales y que pueden estar asociados a organismos huéspedes. Además, se describieron los efectos beneficiosos que tenían los microorganismos en los huéspedes en los que se encuentran.
Posteriormente, fue cambiando el concepto de la existencia de estos microorganismos como células individuales, ya que empezó a ser más obvio que los microbios ocurren dentro de conjuntos complejos. En estos conjuntos ocurren interacciones y se produce una comunicación entre las especies, que son fundamentales para la dinámica de la población y para las actividades funcionales.
El descubrimiento del ADN y el desarrollo de técnicas de secuenciación, PCR y clonación permitieron la investigación de estas comunidades microbianas basándose en ADN y ARN. Mediante la introducción de los marcadores filogenéticos, como el gen 16S rRNA, Carl Woese y George Fox realizaron un análisis de las comunidades microbianas en 1977. Actualmente, se puede realizar Barcoding (producción de códigos de barras de la vida) de bacteria, archaea, fungi, algae, and protists en sus hábitats naturales.
A principios del siglo XIX, con las nuevas tecnologías de secuenciación y todos los datos acumulados ha ocurrido un nuevo cambio de paradigma. Se ha destacado la ubicuidad de las comunidades microbiotas asociadas a organismos superiores y las funciones críticas de los microbios tanto en humanos como animales o salud de las plantas. Todo esto ha revolucionado la ecología microbiana. Además, con el análisis de genomas y metagenomas, existen métodos eficientes para abordar el potencial funcional de microorganismos individuales o de comunidades enteras.
Las tecnologías mutliómicas como el metatranscriptoma, metaproteoma y metaboloma, proporcionan información detallada sobre las distintas actividades microbianas en el medio ambiente. A lo largo de los últimos años se ha ignorado y subestimado el cultivo de microorganismos pero actualmente ha ganado importancia. En la actualidad, se pueden combinar múltiples de estas técnicas ómicas y analizar las interacciones entre microbio y huésped.
Además de la definición original sobre el microbioma, también se han publicado muchas otras en las últimas décadas. Actualmente, la más citada por Lederberg describe microbiomas dentro de un contexto ecológico, considerándolos como una comunidad de microorganismos comensales, simbióticos y patógenos dentro de un cuerpo o entorno. Por otro lado, Marchesi y Ravel centraron su definición en los genomas y en los patrones de expresión de genes microbianos (y virales), además de en los proteomas en un entorno dado y sus condiciones bióticas y abióticas predominantes.
Todas estas definiciones implican que los conceptos generales de macroecología se podrían aplicar tanto a las interacciones microbio-microbio como a las interacciones microbio-huésped. No obstante, la aplicación de estos conceptos ya desarrollados para macro-eucariotas, no está del todo clara en los organismos procariotas y micro-eucariotas. Todo esto supone una complejidad añadida en cuanto al concepto básico de la ecología del microbioma. Muchas definiciones actuales no captan esta complejidad y describen al microbioma abarcando únicamente el concepto de genomas microbianos (ver tabla ↓).
La microbiota comprende todos los organismos vivos que forman el microbioma. La mayoría de los investigadores que se han centrado en el estudio del microbioma están de acuerdo en que las bacterias, arqueas, hongos, algas y pequeños protistas deben considerarse miembros del microbioma. Sin embargo, la integración de los fagos, virus, plásmidos y elementos genéticos móviles es un aspecto más controvertido en la definición del microbioma. Además, tampoco existe un consenso claro sobre si el ADN extracelular derivado de células muertas, conocido como ADN reliquia, pertenece al microbioma. ADN reliquia puede ser hasta un 40% del ADN secuenciado en el suelo, pudiendo llegar a representar el 80% del ADN bacteriano en algunas muestras. Pero a pesar de su abundancia, el ADN reliquia tuvo un efecto mínimo en las estimaciones de diversidad taxonómica y filogenética.