L'intestino umano: i ceppi sono la chiave per una buona salute

Ogni giorno, i miliardi di batteri che popolano il tuo sistema digestivo cambiano; il cibo che mangi, i farmaci che prendi e i germi a cui sei esposto per far prosperare alcuni batteri più di altri. Gli scienziati sanno che questo equilibrio in continua evoluzione dei microbi intestinali è legato alla tua salute e alla tua malattia, ma hanno faticato a definire cosa rende un equilibrio microbico migliore di un altro.      

Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno generalmente descritto il microbioma di una persona, la raccolta di microbi presenti nell'intestino umano, caratterizzando quali specie di batteri sono presenti e in quali quantità. Ora, un gruppo di ricercatori guidati da Katie Pollard, PhD, presso i Gladstone Institutes, ha pubblicato due nuovi studi che suggeriscono che il monitoraggio dei ceppi di batteri, e non solo delle specie, potrebbe fornire informazioni migliori sul microbioma.

I ceppi batterici sono un po' come le razze canine o le varietà di pomodori: parti della stessa specie, ma distinte l'una dall'altra.

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature Biotechnology, il laboratorio di Pollard ha lavorato con Stephen Nayfach, PhD, ricercatore presso l'US Department of Energy Joint Genome Institute, per sviluppare un nuovo metodo computazionale per analizzare i ceppi di batteri presenti in un campione di microbioma molto in modo più rapido ed economico rispetto alle tecnologie esistenti. Il nuovo approccio, afferma Pollard, consentirà ai ricercatori di effettuare analisi del microbioma più grandi e precise che mai.

In un articolo separato pubblicato online su Genome Research, Pollard ha collaborato con i laboratori di Benjamin Good, PhD, e Michael Snyder, PhD, alla Stanford University per tracciare i ceppi di batteri presenti nel microbioma di una persona in 19 diversi punti temporali su un 5- periodo di un mese, compreso prima e dopo un ciclo di antibiotici. Hanno scoperto che, in alcuni casi, l'abbondanza di una specie di batteri è rimasta costante tra i punti temporali, ma i ceppi all'interno di quella specie sono cambiati drasticamente.

Rendere significativi i microbiomi

All'interno del tuo intestino, i batteri probabilmente non si limitano a digerire il cibo. In effetti, gli studi hanno dimostrato che le persone con malattie diverse come le malattie infiammatorie intestinali, l'asma, l'autismo, il diabete e il cancro hanno batteri diversi nei loro sistemi digestivi rispetto alle persone sane. Ma finora da queste osservazioni sono emersi pochi trattamenti mirati al microbioma.

Poiché ogni batterio ha il proprio codice genetico, gli scienziati si affidano al sequenziamento del DNA per scoprire quali batteri abitano il microbioma di una determinata persona. Ma analizzare le sequenze del DNA è difficile a causa delle dimensioni e della complessità dei dati. Sebbene i ricercatori possano utilizzare i metodi esistenti per determinare quali specie sono presenti, questi forniscono solo una parte del quadro della diversità e della funzione del microbioma. Questo perché i diversi ceppi in una singola specie di batteri possono ospitare differenze genetiche significative, che sono spesso abbastanza grandi da indurre comportamenti diversi.

Fino ad ora, identificare le differenze genetiche in un campione di microbioma ha richiesto potenza di calcolo ad alte prestazioni e archiviazione cloud, qualcosa che non è disponibile per la maggior parte dei laboratori. I ricercatori hanno dovuto confrontare milioni di frammenti di DNA dai genomi di migliaia di batteri presenti nel microbioma con un database con le sequenze di ogni microrganismo conosciuto, utilizzando una tecnica nota come allineamento di sequenza.

Pollard e i suoi colleghi sapevano che lunghi tratti di sequenze genomiche sono comuni tra molte specie o ceppi batterici. Quindi, queste sequenze non possono essere utilizzate per aiutare a individuare un ceppo batterico specifico. Ispirato da approcci che analizzano solo le regioni più variabili del genoma umano, il team ha deciso di trovare la quantità minima di informazioni sulla sequenza di cui avrebbero bisogno per selezionare dai dati del microbioma per identificare quali ceppi conteneva.

I ricercatori hanno analizzato oltre 100,000 genomi pubblicamente disponibili e di alta qualità da circa 900 specie batteriche che si trovano comunemente nell'intestino umano. Hanno scoperto 104 milioni di brevi stringhe di DNA nei genomi batterici che variano più spesso tra i ceppi di batteri. Quindi, hanno usato queste informazioni per progettare un nuovo algoritmo, soprannominato GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro), che cerca nei dati della sequenza del microbioma corrispondenze esatte con le stringhe chiave che fungono da identificatori per i ceppi batterici. A differenza dei precedenti metodi di allineamento della sequenza, GT-Pro si adatta alla memoria di un laptop e non richiede elaborazione ad alte prestazioni e crediti cloud.

Il campo di ricerca è stato precedentemente limitato dal fatto che solo pochi laboratori in tutto il mondo hanno i soldi o l'hardware del computer per analizzare i dati del microbioma alla risoluzione dei ceppi.

Prima e dopo gli antibiotici

Una delle domande a cui i ricercatori sul microbioma si sono sforzati di rispondere negli ultimi anni è quanto cambia il microbioma nel corpo di una persona nel tempo. Questa domanda è stata affrontata a livello di specie; gli scienziati hanno monitorato come cambia la composizione delle specie dei microbiomi delle persone insieme alla dieta, alle malattie o ai cambiamenti ambientali. Ma i risultati non sono riusciti a spiegare come il microbioma acquisisca nuove funzioni, come la resistenza agli antibiotici o la capacità di inattivare i farmaci chemioterapici, quando la composizione delle specie rimane stabile di mese in mese.

Pollard e i suoi colleghi hanno voluto approfondire questa domanda a un livello più profondo, analizzando come i ceppi di batteri, piuttosto che solo le specie, cambiano nel tempo. Hanno riproposto un metodo progettato per il sequenziamento di singole cellule umane e lo hanno utilizzato per codificare a barre le molecole di DNA batterico. Ciò ha consentito al gruppo di monitorare i singoli ceppi di batteri in una persona nel corso di uno studio di 5 mesi.

Il team ha sequenziato il microbioma di un individuo sano circa una volta alla settimana per 5 mesi. Durante quel periodo, al soggetto è stata sorprendentemente diagnosticata la malattia di Lyme e ha ricevuto un ciclo di 2 settimane di antibiotici, noti per eliminare molte specie di batteri, compresi quelli che vivono nell'intestino umano.

In alcuni casi, questo era vero: alcune specie e ceppi di microbi erano notevolmente resistenti, presenti con genomi quasi invariati all'inizio e alla fine del periodo di 5 mesi. Ma in altri casi, i ceppi presenti dopo gli antibiotici erano geneticamente diversi da quelli all'inizio anche se l'abbondanza della specie non è cambiata. È importante sottolineare che queste differenze sarebbero state perse se il team avesse analizzato solo le specie presenti in ciascun campione di microbioma.

Sebbene l'algoritmo GT-Pro non fosse ancora disponibile per essere utilizzato in questo studio, Pollard afferma che renderebbe studi futuri simili molto più facili ed economici da condurre.

Tracciare un nuovo percorso per gli studi sul microbioma

I batteri nel tuo corpo sono come una giungla: un ecosistema vivente e mutevole con organismi che coesistono in un delicato equilibrio. Guardando le immagini satellitari dall'alto, gli ecologisti possono monitorare i cambiamenti più profondi e drastici in una giungla, ma perderanno le complessità più fini che modellano l'ambiente.

Allo stesso modo, coloro che studiano il microbioma osservando come cambiano le specie hanno avuto una visione di alto livello della rete e hanno visto solo le connessioni più ovvie con la salute e le malattie. Ma con GT-Pro e una nuova visione dei ceppi microbici, dice Pollard, diventeranno evidenti nuovi collegamenti.