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I ricercatori catalogano il tuo zoo microbico
Un grande National Institutes of Health iniziativa ha pubblicato il catalogo più completo finora dei microrganismi che vivono sul e nel corpo umano. Caratterizzando l'ecologia di batteri, virus, funghi e altri microbi che abitano le persone sane, i ricercatori hanno stabilito una linea di base per il normale microbioma umano. Il lavoro potrebbe accelerare la ricerca su sviluppo, obesità, malattie infettive e altro ancora.
La maggior parte delle volte viviamo in armonia con i microbi che abitano i nostri corpi, ma a volte quell'armonia si rompe, causando malattie, dice Eric Green , direttore del National Human Genome Research Institute, una delle istituzioni NIH che ha guidato il progetto sul microbioma. Dobbiamo capire meglio com'è il normale microbioma e cosa succede ad esso quando cambia per causare o influenzare la malattia, dice. Ciò richiede la comprensione dell'interazione delle comunità all'interno dei nostri corpi, non solo dei singoli microbi uno alla volta.
A livello microscopico, il corpo umano è un mondo di ecosistemi diversi come deserti e foreste pluviali, ognuno dei quali è occupato dalla propria comunità unica di microrganismi. Gli esseri umani si sono co-evoluti con questi microrganismi, molti dei quali sono necessari per la sopravvivenza. Sebbene la comunità medica e scientifica sappia da tempo che le cellule microbiche superano di 10 a 1 le cellule umane, si sapeva poco della diversità e dell'abbondanza delle specie.
Tradizionalmente, gli scienziati studiano i batteri coltivandoli in colture di singole specie in laboratorio. Tuttavia, molte specie di microbi sono difficili da coltivare in questo modo, in parte perché dipendono dai membri della comunità per sopravvivere. Quindi i ricercatori dello Human Microbiome Project hanno invece prelevato campioni di DNA misti da varie parti del corpo dei partecipanti allo studio e sequenziato tutti i genomi che hanno trovato. Hanno campionato parti del corpo in 242 adulti sani - 15 habitat corporei negli uomini e 18 nelle donne - da diverse posizioni all'interno della bocca, del naso, della gola, del gomito, delle orecchie, dell'intestino e della vagina.
Il progetto non sarebbe stato possibile senza la tecnologia di sequenziamento del DNA più economica e veloce che è arrivata sul mercato negli ultimi anni, afferma Lita Proctor , che ha coordinato lo sforzo per il NIH. I ricercatori hanno utilizzato una macchina da Roche per eseguire una forma di codice a barre del DNA specifica per i batteri per determinare quali specie erano presenti in più di 5.000 campioni. Il consorzio ha quindi utilizzato Illumina per sequenziare il DNA in quasi 700 campioni, creando le cosiddette sequenze metagenomiche shotgun. Le sequenze metagenomiche sono una miscela di tutti i geni trovati nelle comunità microbiche e forniscono ai ricercatori un elenco parziale degli enzimi e di altre molecole funzionali che ciascuna comunità microbica può produrre.
Lo studio ha prodotto circa 3,5 terabyte di dati sulla sequenza del genoma. Il team ha dovuto sviluppare nuovi metodi computazionali per analizzarlo, afferma Proctor. Con lo sforzo metagenomico, il team è stato in grado di capire quali funzioni biologiche le comunità microbiche erano in grado di svolgere. Il microbioma umano sano contiene almeno 10.000 specie microbiche con circa otto milioni di diversi geni codificanti proteine. In altre parole, 360 volte più geni di quello che il genoma umano ha da offrire.
Il microbioma ci fornisce molte più funzioni di quelle che avremmo senza gli organismi, afferma George Weinstock , uno scienziato del genoma presso il Genome Institute della Washington University di St. Louis e leader nel progetto Human Microbiome. Gli organismi all'interno delle diverse comunità hanno diverse capacità metaboliche (cioè producono diversi enzimi e altre molecole), da alcune delle quali il corpo umano dipende per digerire determinati alimenti, difendersi dagli agenti patogeni invasori e altro ancora.
I ricercatori hanno scoperto che le comunità microbiche differivano non solo da sito a sito ma anche da persona a persona, con alcuni siti del corpo più coerenti di altri. Ad esempio, la bocca era particolarmente ricca di specie e le persone che vivevano nella stessa comunità avevano tipi simili di microbi nella loro saliva (lo studio ha campionato persone che vivono intorno a Houston e St. Louis). Al contrario, i batteri che vivono sulla pelle hanno mostrato una varietà molto maggiore tra gli individui.
Tuttavia, sebbene i microbi differissero da persona a persona, il potenziale funzionale dei microbi, rappresentato dagli enzimi o da altre proteine funzionali codificate nei loro genomi, era simile dalla parte del corpo di una persona a quella di un'altra. Quindi, mentre le specie di batteri negli intestini di individui diversi possono variare, la serie di processi metabolici che le comunità possono eseguire era in gran parte la stessa.
Sebbene i soggetti dello studio fossero tutti sani (ognuno è stato esaminato da più specialisti), quasi tutti erano portatori di alcuni agenti patogeni o microbi che possono causare malattie. Questi agenti patogeni sembravano coesistere pacificamente nei partecipanti e il lavoro futuro esplorerà cosa succede a mandare questi passeggeri in modalità di attacco.
In un articolo di commento pubblicato sulla rivista Natura , David Relman , un ricercatore di microbi umani presso la Stanford University, che non è stato coinvolto nello studio, ha osservato che un recente studio su popolazioni che vivono in regioni meno sviluppate del mondo hanno microbiomi notevolmente diversi da quelli che vivono negli Stati Uniti. Sottolinea inoltre che le condizioni che avrebbero escluso i partecipanti allo Human Microbiome Project, come le malattie gengivali o il sovrappeso, stanno diventando sempre più prevalenti in tutto il mondo e questo dovrebbe essere preso in considerazione in studi futuri.
Alcune di queste preoccupazioni possono essere affrontate nei prossimi rapporti del progetto NIH. I 17 studi pubblicati oggi su Natura e le riviste della Public Library of Science sono solo i primi risultati del consorzio di 200 scienziati. I prossimi passi saranno andare oltre gli studi sul potenziale genetico fino alla funzione effettiva, studiando i prodotti genici, come le proteine, prodotti dal microbioma umano. Inoltre, alcuni gruppi all'interno dello Human Microbiome Project esamineranno come il microbioma cambia con condizioni come il morbo di Crohn o l'obesità.