Microbiota umano e metagenomica

Introduzione e concetti base

Gli organismi viventi sono classificati in tre domini:

• Bacteria
• Archea
• Eukarya

Questa è la classificazione attuale. Tempo prima si prendeva in considerazione solo Bacteria ed Eukarya come domini. Nei Bacteria e Archea sono tutti microrganismi. Invece negli Eukarya, i microrganismi che vengono presi in considerazione sono solo i Funghi e i Lieviti.

Per microbiota si intende quel concetto ecologico che identifica l’insieme dei microrganismi che colonizzano una determinata nicchia ecologica. Nel caso del microbiota umano, la nicchia ecologica in questione è il corpo umano.

Perché concetto Ecologico? Perché l’ecologia studia l’interazione tra i microrganismi e il loro ambiente e anche l’interazione con altri microorganismi o con l’ospite in sé. Il corpo umano è l’ospite nel caso del microbiota umano. Definiamo in sintesi tutto ciò con il termine di collegamento Ecologia Microbiologica o Microbica.

Per Metagenomica si intende quel tipo di analisi culture-independent dove si studia la comunità microbica nel suo ambiente naturale e non in laboratorio. Evitando così il prelievo e la coltivazione in laboratorio. Questo perché ci sono alcuni microrganismi che hanno bisogno di determinate risorse che possono essere costose o che non si forniscono per via del fatto che queste risorse sono specifiche o addirittura avviene che un determinato microrganismo A ha bisogno di un determinato microrganismo B per sopravvivere. Infatti, non è semplice in laboratorio alcune volte mimare le stesse condizioni dove i microrganismi vivono.

Se noi prendiamo una porzione di terreno (dal suolo) e vogliamo vedere i microrganismi presenti, eseguo estrazione di DNA batterico e poi successivamente sequenziamento del DNA. La presente tecnica non indica che noi dobbiamo abbandonare le vecchie metodiche di analisi della microbiologia classica, perché è vero che si possono avere specifiche informazioni con questa tecnica ma è anche vero che alcune vengono date solo dalle tecniche di microbiologia classica (es. Identificazione della Fonte di Carbonio). Quindi analisi metagenomiche e analisi di microbiologia classica sono come due facce della stessa medaglia. Devono essere prese, in base alla necessità, in considerazione entrambe. In base a quello che voglio analizzare uso l’approccio giusto.

Ecosistema e habitat

Ecosistema è nel complesso una comunità di microrganismi che interagiscono tra loro (componente biotica) e con la componente abiotica (inanimata) formando un’unità funzionale. Habitat è la parte di un ecosistema adatta alla vita di una specifica popolazione o di un numero limitato di popolazioni.

I microrganismi sono presenti ovunque quindi vanno categorizzati bene per nicchia ecologica. I microrganismi hanno un'enorme diversità metabolica che è influenzata dalle risorse nutritive. Alcuni microrganismi occupano una certa nicchia perché le risorse sono adatte a loro. Oltre a questa caratteristica, un ecosistema si diversifica rispetto ad un altro ecosistema per diversi fattori che cambiano (esempio. La Temperatura, PH, mancanza/presenza di Ossigeno, Presenza/assenza di Sali o in quale concentrazione sono presenti). Quindi, c’è da tener conto che ci sono diverse condizioni fisiche e ambientali che intervengono nel determinare quali microrganismi possono sopravvivere in un determinato ecosistema.

Quando si parla del termine “microrganismo” è necessario capire che non si parla solo di termine negativo. Moltissimi batteri sono utili e necessari per un organismo vivente. Infatti, un corpo umano senza microbiota non esiste. Se si prendono in considerazione i topi axenici (sterili) che sono privi di qualunque microrganismo, questi topi fanno fatica a mantenersi in vita poiché privi appunto di microbiota. Infatti, si nota in questi topi una riduzione dei Linfociti T e B, Placche di Peyer piccole e concentrazioni di Ig Basse. In alcuni esperimenti si è notato che tutti questi parametri ritornano alle loro condizioni standard solo se i topi germ free subiscono ricolonizzazione di microrganismi commensali nel loro corpo.

Alcune volte la mancanza di questi batteri può provocare dei problemi a livello salutare. Un classico esempio è dato quando vengono assunti antibiotici nel nostro corpo. Essi eliminano ogni microrganismo possibile alterando l’equilibrio intestinale. Infatti, quando c’è l’assunzione di questi antibiotici vengono associati fermenti lattici appunto per non alterare l’equilibrio intestinale. Bisognerebbe infatti capire l’associazione tra l’assunzione di determinati farmaci (Es. per il cuore, per il fegato ecc.) e come essi influenzano il nostro equilibrio intestinale. Identificare il ruolo di un microrganismo è necessario soprattutto per capire la sua attività nell’ambiente (ecosistema, nicchie ed habitat) che occupa.

Attività diretta e indiretta

Abbiamo due tipi di attività:

• Diretta: prodotti del metabolismo microbico (quello che il microrganismo produce direttamente).
• Indiretta: interazione con l’ospite, cioè cosa succede all’ospite quando avviene questa interazione.

In ambiente naturale, non esiste una cultura pura cioè microrganismi interagiscono con altri microrganismi nel microambiente (micro nicchia ecologica) che occupano in maniera sinergica. Un microrganismo A può cedere i suoi metaboliti al microrganismo B per farlo sopravvivere. Il tutto è un’azione reversibile (A -> B, B ->A). Tutto ciò non può essere riprodotto in laboratorio.

Esistono vari collegamenti:

• Microrganismi e agricoltura (microrganismi azoto-fissatori, microrganismi che fanno parte del ciclo del C degradando la sostanza organica, processi digestivi dei ruminanti).
• Microrganismi e alimenti (alimenti “fermentati” creati con fermentazione dei microrganismi [Parmigiano Reggiano viene ottenuto in questo modo]).
• Microrganismi - ambiente ed energia (Biotrasformazioni, ecocompostabili, prevenzione della contaminazione ambientale-detossificazione degli ambienti).
• Microrganismi e biotecnologie (produzione di nuovi farmaci).

Microrganismi intesi come agenti di malattia

La microbiologia è nata come studio dei microrganismi patogeni. Koch notò che determinati microfattori erano portatori di malattie nei topi. Formulò 4 postulati. Dopo decenni si scoprì che i microfattori pensati da Koch facevano riferimento ai microrganismi.

La virulenza è la misura quantitativa della capacità di un patogeno di infliggere danno. Il livello del danno dipende dalla patogenicità dell’invasore e dalla resistenza dell’ospite. Il patogeno quindi più è virulento più causerà danno.

Nell’ambito del microbiota umano esistono microrganismi opportunisti patogeni. Essi sono microrganismi che sono presenti nel nostro corpo e che in condizioni sane non provocano nessun problema, ma se è presente qualche evento che porta ad una destabilizzazione salutare prendono il sopravvento. Se noi adottiamo uno stile di vita sano-alimentare l’aumento di determinati microrganismi benefici per il nostro corpo potrebbe negare quel comportamento che hanno i microrganismi patogeni opportunisti.

Il danneggiamento dipende:

• Dalla sua capacità di colonizzare.
• Dalla sua capacità di invadere. (Es. Un flagello permette a determinati microrganismi di muoversi e di insinuarsi in posti dove alcuni non possono arrivare).
• Dalla sua capacità di elaborare tossine.
• Dalla sua capacità di indurre la risposta difensiva infiammatoria e immunitaria. Un microrganismo patogeno alza la risposta immunitaria in maniera elevata, mentre uno buono ovviamente la alza ma di pochissimo. Questo, nel caso del microrganismo buono, può essere benefico perché pone il sistema immunitario in allerta e attivo.

Quindi i microrganismi buoni stimolano la risposta immunitaria. (Es. La professoressa ha assunto per un periodo di tempo del lisato batterico, composto da microrganismi buoni, per preservare la salute d’inverno e tenere il sistema immunitario in allerta.)

I patogeni agiscono in vari modi:

• Alterazione della barriera per la permeabilità dell’ospite. Colonizzano con delle strutture di superficie e sono in grado di attecchire i tessuti.
• Impiegano strutture contro fagocitosi (così il nostro organismo non riesce a difendersi).
• Adottano mimetismi antigenici (producono strutture extracellulari che non permettono al sistema immunitario di identificarli).
• Impiegano proteine sensoriali che rispondono a determinati stimoli ambientali, determinano l’espressione di alcuni geni che di solito sono geni da virulenza (enzimi che degradano sostanze fondamentali, sistemi che fanno cambiare PH, estroflessioni che permettono di colonizzare e che permettono la sopravvivenza del patogeno). Un patogeno può comunicare con altri patogeni e questa comunicazione avviene spesso perché così hanno la capacità di moltiplicarsi e aumentare la loro l’invasione.

Microrganismi-agricoltura-suolo

Una buona parte del sistema agricolo dipende dalle attività microbiche. Esempio batteri che sono presenti nel suolo, questi sono inclusi in cicli fondamentali come quello del Carbonio e quello dell’Azoto.

• Ciclo del C: ci sono microrganismi che partecipano insieme alle piante alla fissazione del CO2 presente nell’atmosfera, trasformando la CO2 in carbonio organico. Quest’ultimo è fonte per altri cicli per costituire, esempio, matrice delle cellule batteriche o come accumulo di sostanza organica nel suolo che viene assimilata dalle piante. Questa funzione è svolta maggiormente dai cianobatteri, definiti anche come alghe azzurre. Essi sono microrganismi molto antichi, Gram -, appartenenti al Phylum dei Cyanobacteria. La loro più grande caratteristica è quella di essere fotosintetici (così da poter fissare la CO2 atm). Essendo stati definiti molto antichi, molti studiosi ritengono che siano responsabili della produzione di O2 nella terra.
• Ciclo del N: qui intervengono gli azoto fissatori, che a differenza dei microrganismi citati in precedenza, essi fissano N2 (Azoto atm) e lo trasformano in Azoto organico (NH4+). Qui intervengono due tipi di microrganismi che sono i cianobatteri e microrganismi appartenenti ai Rhibozium (vivono in stretta associazione con le Leguminose).

Poi abbiamo dei batteri che trasformano l’azoto organico, derivanti dalle scorie (?), in sali di ammonio (genere Nitrobacter che sono dei Proteobatteri). Arricchiscono il terreno di nitrati.

Ci sono microrganismi che sono importanti nell’agricoltura, soprattutto nella zootecnia. Prendendo in considerazione i Ruminanti, cioè i Bovini, sono particolari perché riescono ad utilizzare/assimilare polisaccaridi complessi come la emicellulosa e la cellulosa che sono componenti importanti dei vegetali. Il bovino è in grado di digerirli rispetto a noi perché ha un organo detto RUMINE. In esso avvengono i maggiori processi fermentativi portando alla digestione di questi polisaccaridi complessi. Grazie ad enzimi che derivano da microrganismi specifici si riescono a digerire questi polisaccaridi. Questi microrganismi colonizzano il rumine e scindono, grazie agli enzimi forniti, i polisaccaridi complessi in semplici.

I prodotti di fermentazione vengono assorbiti dalla parete ruminale e tra l’altro arrivano anche alle ghiandole mammarie perché vengono utilizzati per la sintesi dei precursori del latte. Possiamo trovare anche glicani, che vengono prodotti dall’ospite, che si ritrovano nel latte materno o del rumine. Questi sono polisaccaridi complessi (chiamati host-glycans) non sono altro che oligosaccaridi del latte materno (CHIEDE SPESSO ALL’ESAME). Partendo dalla digestione che avviene nel RUMINE o nell’intestino umano, vengono assorbiti e vengono portati alle ghiandole mammarie e trasferiti al latte dove si formeranno questi composti a base di C (oligosaccaridi citati in precedenza).

Quindi questi microrganismi sono fondamentali perché forniscono al bovino la capacità di digerire componenti vegetali di cui si nutre. Inoltre, tutti i batteri presenti nel rumine sono utili anche perché utilizzano azoto non proteico e organico (come l’urea) e convertono queste forme di azoto non convenzionale in proteine a elevato valore biologico. Quindi l’interazione tra microrganismi e ospite è fondamentale.

Microrganismi-ambiente

Ci sono microrganismi, abbandonando il discorso dei bovini, che sono molto utili per la detossificazione ambientale. Essi sono in grado di degradare petrolio, solventi e pesticidi. Essi trattano questi composti inquinanti (prodotti dall’uomo, siamo i maggiori inquinanti su questo pianeta) portando ad una risanazione del terreno. Infatti, questo processo è chiamato di Biorisanamento (BIOREMEDIATION).

Ci sono anche altri microrganismi usati per il compostaggio, cioè trasformazione dei rifiuti solidi. Quindi l’organico (che è biodegradabile) del rifiuto solido urbano, grazie a microrganismi autoctoni (cioè già presenti nel rifiuto solido), viene trasformato in fertilizzante organico. Serve da nutrimento alle piante.

Altri microrganismi sono importanti per i reflui (acque nere). La parte inorganica dei detriti viene rimossa con tecniche di filtrazione, ma per la parte organica si affida tutto ciò ai microrganismi. I microrganismi ossidano le componenti del terreno per ottenere energia (sono come dei grossi fermentatori). Si nutrono delle sostanze presenti, moltiplicandosi e trasformando allo stesso tempo il materiale di cui si nutrono. Cioè fermentano e trasformano i nutrienti in composti più semplici.

Microrganismi-energia

Alcuni microrganismi vengono usati per ottenere biocarburanti. In questo caso gli scarti domestici e/o degli allevamenti agricoli sono utilizzati come fonte per produrre biogas (biocarburante), come il metano e l’etanolo. Metano ed etanolo vengono usati per vari scopi come produrre energia termica o/e elettrica.

I microrganismi che producono metano sono gli Archea, i più comuni sono i Metanogeni (sono Procarioti) e fanno parte di quella categoria che riesce a sopravvivere a situazioni estreme (es. vivono in condizione estreme di freddo o caldo oppure dove c’è un’elevata concentrazione di sale) detti anche Estremofili. Altri invece producono etanolo, molto più semplici perché ci sono diversi microrganismi che lo fanno, portando alla fermentazione alcolica classica (Birra e vino esempio).

Altri microrganismi fondamentali nel rapporto con l’energia, sono i microrganismi elettrogenici. Producono energia diretta (energia elettrica) classificata come ENERGIA PULITA. La maggior parte di questi microrganismi elettrogeni appartiene al Genere Geobacter e del genere Rhodoferax, essi vivono nei fanghi. Vivono principalmente in condizioni di anaerobiosi e sono in grado di sottrarre elettroni dal substrato e cederli a particolari accettori. Questo permette appunto di avere energia elettrica.

Microrganismi-alimenti

Negli alimenti alcuni microrganismi risultano essere utili e altri dannosi. I microrganismi utili sono quelli caratteristici degli alimenti fermentati. Alimento che nella sua forma finale è ottenuto solo da azione di questi microrganismi (salame, vino, parmigiano reggiano ecc.). L’azione prevede la fermentazione della materia prima e cha ha permesso di avere il prodotto finale. Esso è ben conservabile. Grazie all’uso di acqua da parte dei microrganismi che risulta poi essere molto bassa, sono meno attaccabili da altri microrganismi patogeni. Anche dalle concentrazioni di sale si può evitare l’attecchimento di patogeni.

Esempio il motivo perché il parmigiano reggiano quello più stagionato è molto salato rispetto a quello meno stagionato è per via di microrganismi che hanno agito e fermentato. Durante la fermentazione questi stessi si lisano e rilasciano enzimi proteolitici e/o litici che danno sapore al prodotto. Acquisendo, a prodotto finale, caratteristiche organolettiche tipiche del prodotto.

Ci sono altri microrganismi positivi che sono i probiotici che vengono aggiunti a determinati alimenti in maniera volontaria e risultano essere utili per la salute umana. Questi sono i Probiotici che hanno una funzione in più rispetto alle normali caratteristiche nutritive di un alimento. La loro funzione favorisce l’equilibrio del nostro microbiota intestinale, dando un valore salutistico.

I dannosi, invece sono quei prodotti non fermentati, quindi non conservabili (es. latticini, stracchino, latte, ricotta ecc.). Possono essere facilmente contaminati da microrganismi patogeni che proliferano e danno delle complicazioni igienico-sanitarie. C’è quindi anche un deprezzamento delle caratteristiche organolettiche. C’è anche un grosso pericolo per i prodotti alimentari manipolati (es. prodotti già pronti), sono pericolosi e sensibili alla contaminazione se non gestiti bene a livello igienico sanitario e possono portare tossinfezioni (Intossicazione Alimentare).

Microrganismi-biotecnologie

Una data funzione di un microrganismo viene riprodotta su larga scala per uno scopo utile. Esistono vari tipi di biotecnologie, che sono:

• Blue, applicata ai microrganismi marini.
• Grey, usate per applicazioni correlate all’ambiente (salvaguardare la biodiversità, eliminare metalli pesanti o idrocarburi ecc.).
• Green, per applicazioni agroalimentari (si occupano dei processi agricoli, cioè a monte di quello che è l’alimentazione, esempio piante di mais modificate geneticamente per resistere all’attacco di alcuni agenti estranei patogeni).
• Red, per applicazioni mediche [produzione Farmaci (Es. Insulina) o produzione composti Biomedici]