I microbiomi sono componenti integrali di diversi ecosistemi e sono sempre più riconosciuti per il loro ruolo nella salute di esseri umani, animali e piante. Ne è un esempio la ricerca sul microbioma intestinale degli animali da allevamento. Quest’ultima ha coadiuvato l’industria agricola nel migliorare la crescita degli animali riducendo l’uso eccessivo degli antibiotici, un importante motore della resistenza antimicrobica.
Le comunità microbiche hanno colonizzato e influenzato praticamente ogni ecosistema del pianeta Terra, influenzando le scienze ambientali, l’agricoltura e la salute umana . L’indagine sulle comunità microbiche ambientali può essere di particolare interesse per la scoperta di organismi “nuovi” dalle proprietà interessanti, come la produzione di peptidi con proprietà antimicrobiche.
L’avvento di questa scienza
Le cellule microbiche (inclusi batteri, funghi, protozoi e virus) colonizzano le superfici epiteliali degli esseri umani (e altri eucarioti), come l’intestino, la cavità orale, la pelle e i capelli. Complessivamente, le cellule microbiche e il loro materiale genetico costituiscono il microbioma.
La microbiomica è una scienza omica che studia il microbioma. Il microbioma esaminato può appartenere a :
- un campione ambientale (ad esempio suolo o acqua) ;
- un particolare sito corporeo (ad esempio l’intestino o la bocca) ;
- un particolare organismo (ad esempio animali da fattoria o da zoo).
Inoltre, la microbiomica studia tutte le sfaccettature del microbioma come la composizione microbica, diversità e funzione, mentre i batteri interagiscono con le componenti biotiche e abiotiche dell’ambiente in cui vivono.
Evoluzione della scienza del microbioma
Attualmente la microbiomica è un campo interdisciplinare “multi-omico” che incorpora la microbiologia classica, la chimica, la metatrascrittomica, la metaproteomica, la metabolomica, l’ecologia, la filogenetica, la biologia dei sistemi… Si tratta di una scienza omica in rapida crescita, laddove la conseguente esplosione di dati ha portato allo sviluppo di nuovi approcci analitici per analizzare, curare e analizzare i dati multi-omici.
I gruppi di ricerca che studiano il microbiota “commensale” umano (la microflora “normale” associata i nostri corpi), stanno esplorando i molteplici compiti che questi microorganismi svolgono nella salute e nella malattia e in che modo l’interruzione di queste comunità microbiche possa influire sul nostro benessere.
Data la loro complessità (sia nella composizione che nella funzione), lo studio efficace delle comunità microbiche (microbiomica) si basa sullo sviluppo, l’ottimizzazione e la convalida di metodi computazionali per l’analisi di set di dati microbici.
L’analisi delle comunità microbiche
Gli esseri umani ospitano diverse comunità microbiche nei loro corpi, che interagiscono continuamente con l’ambiente circostante. L’ascesa della microbiomica e della metagenomica è stata guidata dai progressi delle tecnologie di sequenziamento genomico, migliori metodi di campionamento microbico e la rapida evoluzione degli approcci bioinformatici.
A un livello più semplice, la scienza del microbioma cerca di studiare la composizione di una particolare comunità microbica nel tempo o ad una particolare pressione, isolandone il DNA. Quest’operazione si esegue generalmente utilizzando il sequenziamento 16S o la metagenomica shotgun.
Nel sequenziamento 16S il DNA viene estratto dal campione target (suolo/acqua/feci) e il gene 16S RNA amplificato utilizzando la reazione a catena della polimerasi (PCR). I frammenti di DNA amplificati risultanti vengono sequenziati e possono essere confrontati con database di sequenze per ottenere l’identificazione degli organismi presenti. Questo fornisce un’ istantanea delle comunità presenti in un campione in un dato momento, utile per confrontare le comunità in diversi campioni e seguire i cambiamenti nelle comunità di un particolare campione nel tempo.
Nella metagenomica shotgun vi è il sequenziamento non mirato di tutto il DNA accessibile in un campione. I risultati dell’analisi includono una suddivisione della percentuale di frammenti di DNA provenienti da ogni tipo di batterio, ad un livello di classificazione più preciso di quanto sia possibile con il sequenziamento 16S. Grazie a questa metodica è possibile studiare i geni e le vie metaboliche ; con un numero sufficiente di dati, è possibile procedere ad un’analisi più avanzata, come la ricostruzione dell’intero genoma e l’analisi a livello di ceppo. https://gradschool.weill.cornell.edu/microbiomics
Fig. 2 – Differenze tra il sequenziamento 16S e la metagenomica shotgun
La microbiomica umana
La microbiomica umana è una disciplina emergente che esamina i microrganismi che vivono negli esseri umani e il loro ruolo nella fisiologia e nella salute umana. https://www.microbiologiaitalia.it/didattica/il-microbiota-umano/
Gli esseri umani e i loro microbiomi si sono coevoluti nel corso dei millenni e, sulla base dei meccanismi omeostatici, coesistono in una relazione simbiotica. Tuttavia, le perturbazioni del microbiota umano possono provocare squilibri, potenziali disbiosi e malattie.
La cavità orale e le sue estensioni contigue ospitano la seconda popolazione microbica più diversificata nel corpo umano, il microbioma orale. I microbiomi orali interagiscono con le cellule ospiti della bocca e queste interazioni rivestono un ruolo cruciale non solo nelle malattie dentali, ma anche nelle malattie sistemiche.
Nelle prime settimane, mesi o anni di vita il bambino acquisisce il microbiota dall’ambiente esterno attraverso i processi di colonizzazione, successione e diversificazione, che si verificano in vari habitat microbici del corpo. I genomi del microbiota, collettivamente definiti come “microbioma umano”, forniscono la prova che gli esseri umani non si sono evoluti da soli. Perciò, gli esseri umani sono considerati come “superorganismi” con trilioni di microrganismi associati.
Si stima che il microbiota umano sia composto da oltre 1000 diversi filotipi. La dimensione del microbioma risulta equivalente al genoma umano, mentre il numero di geni del microbioma può superare il numero totale di geni umani di due ordini di grandezza.
Un lungo processo coevolutivo ha portato a interazioni mutualistiche tra il microbiota e l’ospite. Ad esempio, i polisaccaridi vegetali comunemente consumati nella dieta sono ricchi di xilano, pectina e carboidrati contenenti arabinosio. Il genoma umano manca della maggior parte degli enzimi necessari per la degradazione di questi glicani. Al contrario, i polisaccaridi vegetali che non sono digeribili per l’uomo sono i principali substrati del microbiota intestinale.
Il progetto Microbioma Umano
Il nostro microbioma è significativamente arricchito di geni coinvolti nel metabolismo dei glicani, aminoacidi, xenobiotici, ma anche nella metanogenesi e nella biosintesi di vitamine. In questa direzione opera il progetto International Human Microbiome (HMP), quale estensione razionale del progetto genoma umano.
L’HMP è uno sforzo interdisciplinare costituito da più progetti lanciati contemporaneamente in tutto il mondo, anche negli Stati Uniti, Europa e Asia. L’obiettivo principale dell’HMP è quello di esplorare il ruolo del microbioma nelle malattie umane, associando le differenze nel microbioma alle differenze nella funzione metabolica.
L’influenza del microbiota umano nell’obesità e il suo coinvolgimento nello sviluppo dell’obesità è stata dimostrato sperimentalmente nel modello murino. Si è scoperto che il microbiota intestinale degli individui predisposti all’obesità promuove un più efficiente immagazzinamento di energia da una data dieta, rispetto agli individui magri.
Fonti
- Measuring the microbiome: Best practices for developing and benchmarking microbiomics methods Nicholas A. Bokulich,a,⁎ Michal Ziemski,a Michael S. Robeson, II,b and Benjamin D. Kaehler Comput Struct Biotechnol J. 2020; 18: 4048–406
- Microbiomics https://gradschool.weill.cornell.edu/microbiomics
- Human Microbiomics J. Rajendhran · P. Gunasekaran Indian J Microbiol (March 2010) 50:109–112
