Ecologia del microbiota umano

Ecologia del microbiota umano (2020/2021) Simone Guglielmetti

Principi di ecologia

Definizioni

L'ecologia (dal greco οἶκος, oikos, "casa/ambiente" e λόγος, logos, "discorso/studio") è lo studio scientifico delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente (include le interazioni che con l’ambiente gli organismi hanno tra loro e con il loro ambiente abiotico). L’interazione significa: come l’ambiente viene modificato, sfruttato e come determina il modo di vivere dell’organismo vivente. È funzionale fondamentale in ecologia.

L’ecosistema è l’unità ecologica fondamentale. L’ecosistema è tutto ciò che costituisce l’ambiente, sia gli organismi viventi, sia la parte abiotica come le sostanze nutrienti, sia gli aspetti fisici, come la temperatura. È l'insieme degli organismi viventi e delle sostanze non viventi con le quali i primi stabiliscono uno scambio di materiali e di energia.

Il biota è il complesso degli organismi viventi che occupano un determinato spazio (ecosistema). Da qui deriva la parola microbiota, che comprende tutti gli organismi viventi del mondo microbico.

L’habitat è l'ambiente in cui vive una specie animale o vegetale. L’habitat è una parte dell’ambiente all’interno di un ecosistema dove vive una specifica tipologia di organismo vivente. In un ecosistema ci sono habitat diversi (nel bosco vi sono, ad esempio, gli habitat del sottobosco e degli alberi e, all'interno di questo, l'habitat delle fronde, del tronco, delle radici).

La nicchia ecologica è lo spazio occupato da una specie o da una popolazione all'interno del suo habitat, non inteso come spazio fisico, ma come ruolo e funzioni che gli individui svolgono in un ecosistema, o anche come una specie utilizza le risorse dell'habitat in cui vive. In altre parole, la nicchia ecologica descrive come un organismo risponde alla distribuzione delle risorse e degli organismi competitori (ad esempio, aumentando quando le risorse sono abbondanti e quando predatori, parassiti e agenti patogeni sono scarsi) e come a sua volta altera quegli stessi fattori (ad esempio, limitando l'accesso a risorse ad altri organismi, fungendo da fonte di cibo per predatori e consumatori di prede). N.B.: Il termine nicchia è fuorviante perché ha propriamente un significato di spazio fisico mentre la nicchia ecologica non è lo spazio (habitat) occupato da un organismo bensì il ruolo che esso ha.

Ecologia microbica

L'ecologia microbica (microbial ecology) è lo studio del comportamento e delle attività dei microrganismi nei loro ambienti naturali. Il termine ecologia microbica viene utilizzato in modo generale anche per descrivere la presenza e le distribuzioni di microrganismi in vari ecosistemi (per esempio, per rispondere alla domanda: quali microrganismi ci sono nell’intestino umano o sulla superficie cutanea?).

Microrganismi

I microrganismi sono organismi viventi, cellulari, che fanno parte di diversi Regni: Monera, Protista e Fungi. I microrganismi sono organismi con dimensioni a livello del micron (millesimo di millimetro), quindi non visibili ad occhi nudo. Del Regno Protista fanno parte alghe e protozoi, il Regno Fungi comprende lieviti, funghi filamentosi e funghi carpofori, mentre al Regno Monera appartengono i procarioti unicellulari e comprende la maggior parte dei microrganismi associati al corpo umano. I parassiti intestinali (es. Tenia) non appartengono a questo Regno in quanto sono organismi Eucarioti pluricellulari, che fanno parte del Regno Animalia. Sono considerati microrganismi anche i virus, che possiedono uno stato di esistenza biologica come parassita obbligato di cellule e uno stato non-vivente (stato cristallino) quando sono liberi nell’ambiente.

Questa classificazione dei viventi è stata data da Whittaker nel 1978, esiste anche una classificazione e tre domini, prevalente negli USA, data da Woese et al. nel 1990. Secondo questa classificazione i viventi possono essere suddivisi in tre domini: Eukaria, Arkaea e Bacteria; questi domini sono a loro volta suddivisi in Regni. Eukaria è diviso in: Protista, Plantae, Fungi, Animalia. Il dominio Arkaea comprende il Regno Archaea e il Regno Bacteria.

Gli Archaea sono degli organismi procarioti, in passato indicati come ancestrali cioè precedenti ai batteri, mentre ultimi studi li hanno valutati come più recenti nell’evoluzione. Sono definiti anche estremofili, sono quindi quei microrganismi che si ritrovano in ambienti estremi (altissime temperature, vulcani, assenza di ossigeno, scarsa presenza di acqua, concentrazioni saline elevate). Gli Archaea presentano delle differenze strutturali nella membrana e nella parete.

Microbiologia ambientale

La microbiologia ambientale si riferisce principalmente all’insieme dei processi microbici che si verificano in un ambiente (il suolo, l’acqua di un lago, un alimento, l’intestino umano) ed ha perciò un significato sovrapponibile a quello di Ecologia Microbica. La microbiologia ambientale, però, si occupa più nello specifico degli effetti su più ampia scala della presenza e delle attività microbiche.

In un ecosistema microbico le singole cellule crescono per formare popolazioni. Quindi si definisce popolazione un insieme di cellule derivate da una singola cellula. Le popolazioni metabolicamente correlate costituiscono corporazioni o gilde (guilds). Set di corporazioni che conducono processi fisiologici complementari interagiscono per formare comunità microbiche. È importante ricordare che una comunità è costituita da tanti individui appartenenti a specie diverse; l'insieme di tutti gli individui della stessa specie che vivono in un ecosistema viene invece chiamato popolazione. La comunità può quindi essere definita come l'insieme delle popolazioni che vivono nello stesso ecosistema. Le comunità microbiche interagiscono quindi con le comunità di macrorganismi per definire l'intero ecosistema.

La distribuzione dei microrganismi nell'ecosistema naturale dipende dalle risorse (nutrienti) disponibili e dalle condizioni di crescita. Temperatura, pH, disponibilità di acqua, luce, ossigeno di un habitat definiscono la nicchia per ciascun microrganismo particolare.

Interazioni tra organismi viventi in un ecosistema

L’ecologia microbica studia l’interazione con l’ambiente e tra organismi viventi. Per descrivere il rapporto tra popolazioni diverse di microrganismi sono utilizzati numerosi termini:

• Neutralismo, compresenza di diverse specie senza che vi sia per esse danno o beneficio. È un rapporto abbastanza raro in quanto le attività di una popolazione hanno spesso una conseguenza sulle altre popolazioni;
• Commensalismo, interazione non obbligatoria fra due esseri viventi in cui uno approfitta del nutrimento o degli scarti dell'altro senza procurare danno o beneficio. Avviene, per esempio, nel caso di microrganismi intestinali che si nutrono della fibra (inulina) che noi ingeriamo con gli alimenti e che non riusciamo a digerire per una mancanza di enzimi. Commensalismo è anche ciò che avviene per un batterio come il Ruminococcus che si nutre di acido lattico derivato dai Lactobacilli, producendo acidi grassi a corta catena;
• Sinergismo, interazione non obbligatoria in cui entrambe le popolazioni traggono beneficio. Entrambe le popolazioni sono in grado di sopravvivere indipendentemente. Es. ape e polline del fiore;
• Mutualismo simbiosi, interrelazione obbligatoria tra due popolazioni che determina beneficio per entrambe. In questo caso la mancanza di questa interrelazione provoca un danno o la non sopravvivenza di una delle due parti o di entrambe. Il microbiota intestinale instaura un mutualismo con l’essere umano che, in assenza del microbiota, non potrà svilupparsi o sopravvivere. Il riconoscimento di questa interazione tra l’uomo e il microbiota è avvenuto negli ultimi venti anni. Es. simbiosi tra un fungo e un'alga nei licheni;
• Antagonismo, interazione tra specie nella quale una o ambedue le specie in relazione subiscono un danno. Le principali relazioni antagonistiche sono:
• Antibiosi, inibizione della crescita e della riproduzione di un microrganismo da parte di un altro;
• Parassitismo, interazione fra due specie, generalmente di natura trofica, in cui una (il parassita) trae un vantaggio a spese dell’altra (l’ospite), creandogli un danno biologico;
• Predazione, interazione in cui un organismo (predatore) usa come fonte di cibo un altro organismo, solitamente di specie differente (preda);
• Competizione, interazione che si verifica quando due popolazioni stanno cercando la stessa risorsa di nutrienti o habitat (per es. competizione per nutrienti o per siti di adesione).

Nomenclatura binomiale

La classificazione è la sistemazione degli organismi viventi all’interno di gruppi tassonomici (i taxa, taxon se detto al singolare) sulla base di similarità o relazioni. La tassonomia (dal greco τάξις, taxis, "ordinamento", e νόμος, nomos, "norma" o "regola") è la scienza dell'ordinare gli organismi in un sistema di classificazione composto da una gerarchia di taxa.

La nomenclatura è l’assegnazione di nomi ai gruppi tassonomici nel rispetto di specifiche regole. L’identificazione è il processo che permette di stabilire a quale taxon appartiene un nuovo isolato microbico. La filogenesi o filogenia (dal greco: φυλή = "classe", "specie" e Γένεσις = "nascita", "creazione", "origine") è il processo evolutivo degli organismi viventi dalla loro comparsa a oggi.

La nomenclatura dei microrganismi è data da regole stabilite da Carlo Linneo nel 1753 (XVIII secolo). È basata sul concetto di specie (unità tassonomica fondamentale), intesa come l’insieme degli individui che presentano un elevato numero di caratteristiche comuni e di somiglianze a livello anato-morfologico e, più in generale, fisiologico: tali caratteristiche differenziano gli individui di una specie da quelli di tutte le altre.

La nomenclatura binomiale indica il riconoscimento della specie come unità fondamentale della biologia e assegna, per descrivere una specie, due nomi. Questi due nomi sono i livelli tassonomici di base (genere e specie) che si differenziano in epiteto generico (corsivo maiuscolo) ed epiteto specifico (corsivo minuscolo). Per esempio: Homo sapiens, Saccharomyces cerevisiae, Escherichia coli.

I livelli tassonomici superiori (famiglia, ordine, etc.) vanno in maiuscolo e possono essere scritti in corsivo o non in corsivo, a seconda di scelte editoriali o dell’autore (spesso in microbiologia si scrivono in corsivo solo i nomi di genere e specie, ma non famiglie, ordini, divisioni, etc…).

Ceppo e variabilità genetica

Per il ceppo non ci sono regole precise, è un concetto al di fuori della tassonomia; di solito è una sigla (per es. L. rhamnosus GG). Un ceppo è l’insieme di tutte le cellule microbiche teoreticamente originate da un’unica cellula progenitrice e quindi idealmente aventi un identico patrimonio genetico. Quindi sono cellule idealmente identiche dal punto di vista sia genetico che fisiologico e funzionale. Il concetto di ceppo è importante in quanto esprime la biodiversità che esiste all’interno dei livelli tassonomici.

Esempio: Escherichia coli è un batterio presente nel nostro intestino che non crea alcun danno, anzi svolge azioni potenzialmente positive. Comunque, nel mondo, alcune persone muoiono da E. coli a causa di ceppi enteroemorragici, quindi con capacità patogeniche specifiche che li rendono capaci di uccidere una persona. E. coli è anche utilizzato in capsule, come prodotto probiotico, prese da alcuni soggetti per risolvere infiammazioni o disfunzioni intestinali. All’interno dell’ecologia microbica si arriva raramente a parlare di ceppi, di solito si parla di livelli tassonomici superiori per motivi anche metodologici.

Filogenesi delle divisioni batteriche

All’interno della microbiologia prende importanza il livello tassonomico superiore chiamato Divisione o Phylum in quanto permette di descrivere in modo accurato gli ecosistemi microbici. Questo livello tassonomico è elevato e per questo comprende molti organismi differenti fra di loro. All’interno dei nostri studi è utilizzato questo livello tassonomico in quanto permette di raggruppare numerose specie e di confrontarle con altri ecosistemi microbici.

Questo albero filogenetico evolutivo dei procarioti inizia da un punto di partenza (la stella) da cui si sono evoluti: gli Archaea, distinti dagli eubatteri e i batteri veri e propri. Tra i primi a differenziarsi sono i Gram positivi, divisione che comprende molti dei batteri più comuni, come Bacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus e Clostridium. Altra divisione importante è quella degli Actinobacteria, che comprende generi come Bifidobacterium, Propionibacterium, e Streptomyces. Evolutivamente più recenti ci sono i Gram negativi, in particolare i proteobatteri, divisi in Proteo-γ, come Escherichia e Salmonella, e Proteo-α, come Acetobacter e Gluconobacter. Nel corso si parlerà anche di δ-proteobatteri, come Bilophila, importante per l’infiammazione intestinale in relazione all’assunzione del grasso del latte.

Questo è un dendrogramma senza radice che fornisce una rappresentazione più dettagliata. È sviluppato sulla base di affinità genetiche tra i gruppi microbici. Questi dendrogrammi sono una semplificazione; infatti, il numero di divisioni batteriche (includendo quelle costituite da microrganismi incoltivabili) è superiore a 50.

Identificazione tassonomica batterica

L’identificazione tassonomica batterica è fondamentale nell’ecologia microbica ed è basata sull’identificazione della specie. L’unità tassonomica di base è la specie, che è definibile nell’ambito della batteriologia come una collezione di ceppi simili che differiscono sufficientemente da altri gruppi di ceppi da giustificare il riconoscimento come unità tassonomica a sé stante (si veda in seguito una definizione “più concreta’’ di specie batterica).

Ogni specie batterica possiede un ceppo type, cioè un ceppo di riferimento che riassume in sé tutte le caratteristiche fenotipiche e genotipiche dei ceppi della specie che rappresenta. Dove posso trovare il ceppo type di ogni specie? I ceppi type si trovano nelle «ceppoteche», cioè nelle collezioni di colture cellulari. Le collezioni di colture di riferimento, in Europa e negli Stati Uniti, sono le seguenti:

• Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ), (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures), organizzazione no-profit;
• American Type Culture Collection (ATCC), centro di ricerca privato no-profit.

L’identificazione tassonomica di un ceppo batterico consiste nell’assegnazione di genere e specie e si basa sulla valutazione di caratteristiche fenotipiche e genotipiche e sul confronto di queste caratteristiche con quelle dei ceppi type.

Lo studio delle caratteristiche fenotipiche

Lo studio delle caratteristiche fenotipiche per l’identificazione di un batterio è la via tradizionale seguita da decenni da quella che è definita microbiologia classica. Ad essa si è ora aggiunta (e in molti casi sostituita) la microbiologia basata sulle tecniche di biologia molecolare, che prevede lo studio di DNA e RNA.

La caratterizzazione fenotipica (non oggetto di esame)

Le prime caratteristiche da considerare sono le più generali, al fine di ridurre subito il numero delle possibilità tra cui ricercare.

Caratteristiche morfologiche

A. 1. micromorfologia: forma, dimensione, disposizione delle cellule (catenelli, aggregati), presenza di endospore;
2. macromorfologia: aspetto della colonia;
3. reazione di Gram;
4. mobilità.

Metabolismo energetico

B. Opera respirazione aerobia, oppure fermentazione; è anaerobio facoltativo, etc.

Caratteristiche colturali e nutritive

C. Primariamente, viene considerata la tipologia di fonte di carbonio: organica o inorganica? Quali molecole possono essere usate? È importante ottenere un profilo di utilizzazione del carbonio. A tal fine, si prepara un terreno colturale di base, cioè un terreno in cui è stata completamente tolta la fonte dell’elemento in esame (in questo caso il carbonio). Trasferisco questo terreno di coltura in alcune provette e in ciascuna aggiungo una fonte di carbonio diversa (per esempio glucosio, ribosio, mannosio, etc.). Quindi inoculo ogni provetta con lo stesso numero di cellule del ceppo in esame e metto ad incubare. Se il batterio cresce significa che ha saputo usare quella specifica fonte di carbonio.

N.B.: se, ad esempio, sto studiando un batterio lattico, posso valutare la capacità di utilizzare la fonte di carbonio da parte...