La diversità nel microbioma è influenzata da incontri casuali

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La diversità nel microbioma è influenzata da incontri casuali
Dopo aver nutrito i vermi Caenorhabditis elegans con un mix di batteri che esprimono le proteine fluorescenti sia rosse che verdi, i ricercatori del MIT hanno scoperto che la popolazione microbica presente nel tratto digestivo dei vermi, tende ad essere dominata da una o dall’altra proteina. Foto: Nicole Vega

Alcuni studi hanno scoperto il ruolo della casualità nella composizione della popolazione microbica dell’intestino, un fattore fino ad ora trascurato. Queste variazioni microbiche, che sono determinate anche dalla dieta e dall’ambiente, contribuiscono all’insorgere di disturbi gastrointestinali come le coliti e il morbo di Crohn.

All’interno del tratto digestivo ci sono trilioni di batteri, e queste comunità contengono centinaia, persino migliaia, di specie. La formazione di queste popolazioni può variare notevolmente da una persona all’altra, a seconda di fattori come la dieta, l’esposizione all’ambiente e la storia clinica.

Un nuovo studio sulla popolazione microbica dei vermi offre un altro fattore che può contribuire a questa variazione: il caso

I ricercatori del MIT hanno scoperto che quando inseriscono vermi geneticamente identici all’interno di ambienti identici e li nutrono con la stessa dieta, i vermi sviluppano differenti popolazioni di batteri nel loro intestino, a seconda di quale battere è stato il primo ad entrare.

“Questo studio dimostra che l’eterogeneità può essere guidata dalla casualità dell’evento di colonizzazione iniziale. Questo non significa che l’eterogeneità tra due individui sia dovuta alla casualità, ma è un fattore potenziale che è spesso trascurato quando si pensa a questa variazione”, ha spiegato Jeff Gore, Professore Associato di Fisica la MIT.

Un semplice modello

È stato dimostrato che variazioni nel microbioma intestinale umano contribuiscono all’insorgere di disturbi gastrointestinali come coliti e malattia di Crohn, ma non solo. Alcuni studi suggeriscono come la composizione del microbioma possa influenzare il diabete, malattie cardiache e cancro.

“Sappiamo che le comunità intestinali sono diverse per ciascun individuo, e che questo ha delle importanti implicazioni per la salute e la malattia, ma è spesso difficile stabilire le origini di questa diversità tra diversi individui”, prosegue Gore.  

I ricercatori hanno scelto di studiare i vermi Caenorhabditis elegans perché sono tra i più semplici animali aventi un tratto digestivo colonizzato dai batteri, dando la possibilità di capire cosa sta succedendo nell’intestino umano.

“Quello che vorresti fare è prendere un gruppo di individui identici, inserirli all’interno di ambienti identici, e poi controllare se le comunità microbiche sono le stesse o sono differenti. Questo è un esperimento difficile da fare con le persone, ma con organismi modello è fattibile”.

I C. elegans consumano batteri come parte della loro normale dieta, così i ricercatori per prima cosa hanno nutrito un gruppo di vermi geneticamente identici con un mix di sei specie differenti di batteri. Quando l’esperimento è iniziato, i vermi non avevano alcun batterio nel loro tratto digestivo, ma dopo essere stati esposti alla stessa dieta a base di batteri, ciascun verme ha generato nel proprio intestino una popolazione microbica specifica.

I ricercatori hanno approfondito questa evidenza nutrendo i vermi con un mix di soli due tipi di batteri, rendendo più semplice studiare le loro interazioni. In questo scenario, tutti i batteri erano E. coli, di cui una metà era stata programmata per produrre una proteina verde fluorescente e l’altra metà una proteina rosso fluorescente.

Dopo una settimana a base di questa dieta, ciascun verme aveva circa 30.000 batteri nel proprio tratto digestivo. Tuttavia, queste popolazioni non erano divise in modo equo tra rosse e verdi. Al contrario, ciascuna popolazione era dominata da una o dall’altra proteina. Questo è successo, secondo quanto riportato da Gore, perché la colonizzazione iniziale dell’intestino è un evento raro, per cui qualsiasi microbo arriva per primo a colonizzare l’intestino, tende a dominare l’intera popolazione che si svilupperà successivamente.

Qualsiasi tipo di batterio può crescere e dominare la comunità intestinale”. Questa casualità tende a prevalere quando il tasso di colonizzazione è basso. Quando i ricercatori hanno nutrito i vermi con un’ampia quantità di batteri, il tasso di colonizzazione è cresciuto e i ricercatori hanno scoperto una minore variazione tra le popolazioni microbiche dei diversi individui.

 

Una fonte sottovalutata

I ricercatori hanno anche scoperto lo stesso effetto quando hanno nutrito i vermi con due specie differenti di batteri: Enterobacter aerogenes e Serratia marcescens.

Raghuveer Parthasarathy, un professore associato di fisica presso l’Università dell’Oregon, ha affermato che lo studio è degno di nota perché esplora “il principale mistero nella ricerca sul microbioma: perché le comunità microbiche sono così variabili tra gli individui”.

“Ha affrontato/gestito questo utilizzando l’organismo modello C. elegans, che è notevolmente più semplice rispetto agli umani e garantisce la possibilità di fare esperimenti quantitativi meglio controllati. Questo dimostra che una comprensione quantitativa della variabilità stocastica randomica è, di fatto, possibile; il che è incoraggiante secondo la prospettiva di costruire secondo questo percorso sistemi più complessi in grado di ospitare i microbi”, ha detto Parthasarathy, che non era coinvolto nella ricerca.

Gore afferma che questa variabilità casuale può contribuire alle differenze nella popolazione microbica vista anche nell’intestino umano, dato che solitamente solo una piccola parte dei batteri consumati dagli umani e da altri animali sopravvive al processo digestivo. Tuttavia, molti altri fattori quali esposizione all’ambiente giocano un ruolo in questo.

“Non credo che la colonizzazione stocastica è l’unica fonte o quella dominante dell’eterogeneità tra gli individui, penso invece che sia una fonte di eterogeneità spesso sottovalutata”, afferma Gore.

Il suo laboratorio sta ora studiando diversi tipi di specie batteriche nei vermi per vedere se il risultato della competizione tra le due specie può essere utilizzato per fare previsioni sul risultato quando tre o più specie sono in competizione.

La ricerca è stata sostenuta dall’Istituto Nazionale della Salute, dalla Fondazione di Scienza Nazionale, Pew Fellowship e dalla Sloan Foundation Fellowship.

 

Fonti:

Microbiome diversity is influenced by chance encounters, Massachusetts Institute of Technology.

Didascalia foto: Dopo aver nutrito i vermi Caenorhabditis elegans con un mix di batteri che esprimono le proteine fluorescenti sia rosse che verdi, i ricercatori del MIT hanno scoperto che la popolazione microbica presente nel tratto digestivo dei vermi, tende ad essere dominata da una o dall’altra proteina.
Credit Foto: Nicole Vega