Microbiota umano e metagenomica

Microbiota umano e metagenomica

Introduzione

I microrganismi sono stati i primi esseri viventi sulla Terra da cui poi sono nati tutti gli altri organismi. L'albero filogenetico mostra le relazioni evolutive tra organismi, basato su geni ribosomiali. Questi ultimi sono geni conservati utilizzati a scopi evoluzionistici, mi permettono di tracciare relazioni tra organismi e microrganismi.

L'albero della vita solo negli anni '80 viene suddiviso in tre domini: batteri, archea ed eucaria. Dall'ancestor c'è stata una suddivisione: prima si sono sviluppati i batteri, poi una separazione che ha portato allo sviluppo degli archea, poi da questi ultimi c'è stata una suddivisione con sviluppo degli eucarioti. Batteri e archea condividono molte cose, però in realtà nella scala evolutiva, gli archea sono più simili agli eucaria. Gli archea sono i microrganismi che si trovano in fonti termali, sono estremofili, sono organismi particolari, ma condividono cose con gli eucarioti.

I microrganismi hanno cellule eucaristiche e procariotiche: lieviti e muffe sono eucariotiche, mentre i batteri e archea sono procariotici. La microbiologia studia i microrganismi, studia la diversità e l'evoluzione delle cellule microbiche (grazie alla genetica), dove questi microrganismi vivono sulla Terra e con chi hanno relazioni (grazie all'ecologia); studia con chi i microrganismi si associano, quando collaborano tra di loro. Studia anche cosa fanno i microrganismi nel loro contesto ecologico (fisiologia).

La microbiologia comprende la natura di tutti i fenomeni del mondo microbiotico e applica questa conoscenza alle necessità che abbiamo. La microbiologia è una scienza di base la quale viene usata in alcune aree applicative: ad esempio essendo organismi molto semplici e quindi coltivabili facilmente in laboratorio (crescono molto bene, non servono molti soldi, ecc.) vengono usati per studiare i fenomeni di modelli più complessi. Ad esempio il lievito viene utilizzato molto come modello per studi sugli eucarioti. I batteri possono essere anche manipolati geneticamente, per cui utilizzati in genetica. La microbiologia è al centro di molti aspetti della medicina e della veterinaria; prende parte a tutto come scienza applicata.

Definizione di “microbiota umano e metagenomica”

Il microbiota è l'insieme dei microrganismi che colonizzano un certo ambiente (lago, pozzanghera, fiume, ecc.). Il microbiota umano sono microrganismi che colonizzano il corpo umano, per cui lo studio di questo riguarda molto gli studi ecologici, poiché questa studia l'interazione tra gli organismi e l'ambiente in cui vivono. La metagenomica invece è lo strumento che mi permette di studiare il microbiota, è la tipologia di analisi che mi permette di studiare le comunità microbiche nel loro contesto naturale. È un'analisi culture-independent per lo studio di comunità microbiche direttamente nel loro ambiente naturale, evitando così il problema del prelevamento e coltivazione in laboratorio. Si basa sul sequenziamento del DNA.

Ci sono molti organismi infatti che non riescono ad essere isolati e quindi ci sono delle tecniche culture independent (non cultura dipendente), queste tecniche sono definite di metagenomica e riguardano l'isolamento diretto del DNA degli organismi. Il nostro corpo è costituto da tante nicchie ecologiche: naso, mano, ecc., caratterizzate da microrganismi differenti. I microrganismi che colonizzano la pelle, che è a contatto con l'ossigeno, saranno differenti da quelli che colonizzano l'intestino che saranno anaerobi. I microrganismi mostrano una versatilità metabolica enorme.

I batteri hanno un grosso impatto all'interno del nostro corpo e soprattutto sulla nostra salute. La microbiologia nasce come studio di microrganismi dannosi, patogeni, quando si è capito che questi avevano un impatto negativo sulla nostra salute. Negli ultimi anni, invece, è nata la sensibilità di studiare i microrganismi che hanno effetto positivo sulla nostra salute questo perché se ci facciamo colonizzare da organismi positivi questi possono prevenire alcune patologie.

Di conseguenza lo studio del microbiota intestinale è fondamentale, tanto è vero che nel 1970 non si studiava, mentre pian piano ha preso una grossa impennata (2005, 2006) (PubMed sito per articoli).

Interazioni batteriche con ambiente

L'ecologia microbica studia le modalità con le quali le popolazioni di microrganismi si raggruppano in comunità. Il microrganismo non vive solo, ma in comunità che interagiscono tra di loro, con l'ambiente e con l'ospite. Attenzione! Se parliamo di una scrivania (supporto abiotico, non c'è ospite).

Per studiare la biodiversità bisogna quantificare e analizzare la composizione dei microrganismi in una nicchia ecologica. Lo studio delle attività microbiche porta alla comprensione del ruolo svolto dai microrganismi nell'ambiente che occupano. Per studiare l'attività microbica bisogna capire quindi quali sono i processi metabolici dei microrganismi nei loro habitat naturali. Quello che osserviamo in laboratorio è un artefatto, obbligo il microrganismo a vivere in una condizione non naturale: un organismo in coltura pura si comporta in una maniera, coltivato con altri batteri può cambiare.

Le attività dei microrganismi possono essere:

• Dirette, ovvero la produzione di metaboliti microbici.
• Indirette, interagisce con un ospite e si creano metabolismi differenti.

Negli ambienti naturali non esiste una coltura pura.

Microrganismi ed ecosistemi

Sono fondamentali nei vari ecosistemi e fondamentali nei rapporti con esseri viventi:

• Microrganismi ed esseri viventi. Sono nostri colonizzatori (nel corpo umano, cane, cavallo, ecc.) se non ci fossero i microrganismi, gli organismi viventi non sarebbero come li conosciamo (sono state create cavie da laboratorio sterili “axcenici” e sono organismi magri, non in salute, con problemi, questo perché i microrganismi hanno impatto positivo sulla sua salute).
• Microrganismi ed agricoltura (batteri azoto fissatori, ciclo del C e degradazione sostanza organica, processi digestivi nei ruminanti).
• Microrganismi negli alimenti (alimenti fermentati, trasformazione e conservazione, biomolecole prodotte dai microrganismi).
• Microrganismi, ambiente ed energia (biotrasformazioni e compostabili, prevenzione della contaminazione ambientale).
• Microrganismi e le biotecnologie (sviluppo e produzione di nuovi farmaci).
• Microrganismi e cambiamenti climatici.

La microbiologia è nata come studio di organismi patogeni: nel 1600 uno studioso iniziò ad osservare i microrganismi con un microscopio rudimentale. Ma è solo nel 1900 con Koch che ha studiato la TBC che iniziano a diventare evidenti la correlazione tra microrganismi e malattie. Sulla Terra sono presenti molto più batteri buoni che batteri cattivi: i microrganismi colonizzano tutti gli ambienti terrestri, gli animali e hanno un effetto per la maggior parte positivo.

C'è un equilibrio di microrganismi nel nostro corpo: se i dannosi aumentano rispetto a quelli buoni allora si possono creare patologie, infezioni. Il danno dell'infezione dipende da quanto il microrganismo è virulento (misura quantitativa di un patogeno di infliggere danno) quindi dalle caratteristiche di questo patogeno. I microrganismi durante l'evoluzione hanno messo a punto tecniche particolari per cercare di colonizzare o invadere gli organismi viventi. Possono avere strutture in grado di colonizzare meglio (strutture per superare barriere epiteliali, tossine nocive o di indurre una risposta immunitaria esagerata “setticemia”, utilizzano strutture contro la fagocitosi, utilizzano proteine che determinano l'espressione di geni specifici per la virulenza (ad esempio helicobacter pilori, durante l'evoluzione ha messo a punto tecniche per cercare di invadere una nicchia ecologica particolarmente ostica: lo stomaco, infatti il pH è molto basso nello stomaco).

Microrganismi e agricoltura

Batteri e suolo: nel suolo fanno parte del ciclo del carbonio e dell'azoto. I microrganismi del suolo sono fondamentali per il ciclo del carbonio, in quanto partecipano insieme alle piante, alla fissazione della CO₂ presente nell'aria che viene trasformata in carbonio organico che diviene costituente delle cellule batteriche o si accumula come sostanza organica nel suolo (cianobatteri). Anche nel ciclo dell'azoto ci sono batteri che fissano l'azoto atmosferico, ad esempio i batteri azoto fissatori (Rhizobium) assimilano azoto in NH₄⁺ (ione ammonio) il quale viene trasformato in nitriti e nitrati attraverso processi di nitrificazione che arricchiscono il terreno di nitrati. In seguito altri microrganismi convertono azoto nel terreno in azoto atmosferico (denitrificazione), completando il ciclo.

Batteri e zootecnica: il ruminante digerisce i polisaccaridi complessi, cosa che l'uomo non è in grado di fare. Questi animali scindono la cellulosa grazie ad una parte dell'intestino, il rumen, in cui sono presenti numerosi batteri che avviano i processi fermentativi di digestione della cellulosa ed emicellulosa, in modo tale che i prodotti della digestione vengano assorbiti dal ruminante e quindi poi utilizzati. Tutti i batteri ruminali usano azoto inorganico come l'urea consentendo al ruminante di usare forme semplici di azoto.

Microrganismi e ambiente

• Ci sono microrganismi in grado di degradare petrolio, solventi e pesticidi, composti tossici (sostanze xenobiotiche). Il biorisanamento (bioremediation) è una bonifica ambientale operata da determinati organismi che detossificano appunto le sostanze inquinanti.
• I microrganismi sono importanti anche nel compostaggio, cioè nella trasformazione di rifiuti solidi. Il compost deriva da una sorta di fermentazione, da parte del microbiota, della parte organica del rifiuto solido urbano e viene trasformato in un fertilizzante organico.
• Trattamento dei reflui. La parte inorganica dei detriti viene rimossa da trattamenti fisici e/o chimici, ma per il trattamento della parte organica ci si affida ai microrganismi. Un impianto di trattamento dei liquami può essere considerato un'enorme coltura microbica, in cui i microrganismi ossidano i componenti del “terreno” per ottenere energia e moltiplicarsi: nel corso del processo la maggior parte dei nutrienti è convertita in composti chimici semplici.

Microrganismi ed energia

• I prodotti di scarto domestici, agricoli e di origine animale possono essere convertiti in biogas come metano ed etanolo dall'attività di gruppi microbiotici (ne fanno parte anche gli archea detti metanogeni). In questo caso la fermentazione è anaerobia.
• Produzione di energie alternative, come il biocarburante. Ci sono batteri elettrogenici, geobacter o rodoferax, che vivono nel suolo e nei fanghi marini e che in ambienti anaerobi estraggono elettroni dal substrato e li cedono ad accettori extracellulari. Questo ha un grosso impatto per produrre energie alternative.

Microrganismi ed alimenti

I microrganismi, in base alla tipologia di alimento che colonizzano hanno un'importanza o meno:

• Presenza dannosa in alcuni alimenti la presenza di microrganismi ha un effetto dannoso, ad esempio negli alimenti non fermentati, cioè che non richiedono microrganismi per la loro produzione. Nel caso di alimenti non fermentati, la presenza dei microrganismi, implica problemi di tipo igienico sanitari, perché oltre che alternarne il sapore, possono dar vita ad intossicazioni: proliferano moltissimo e hanno cariche microbiche elevate che possono infettare il nostro organismo una volta ingerite. Alcuni microrganismi, infatti, producono tossine dannose per il nostro organismo (tossinfezione) ad esempio la salmonella, il botulino, ecc. I sintomi delle intossicazioni sono sintomi enterici, come diarrea e vomito, ma se l'alimento è molto contaminato i sintomi sono forti subito dopo l'ingestione; alcuni hanno effetti neuronali tipo il botulino che agisce a livello nervoso. In generale le intossicazioni non danno effetti molto gravi, se non a persone che sono già immuno compromesse.
• Presenza utile per alcuni alimenti la presenza di microrganismi è utile. Questi alimenti sono quelli fermentati, il cui prodotto finito esiste solo perché c'è stata un'attività di microrganismi che hanno dato origine al prodotto finito (pane, birra, formaggi, ecc.).

Quindi in base al ruolo dei microrganismi gli alimenti possono essere divisi in:

• Quindi la presenza dei microrganismi è positiva. Prodotti ottenuti in seguito a fermentazione di materia prima: Il prodotto finito ottenuto dalla fermentazione microbica è sicuro dal punto di vista igienico sanitario. Ad esempio i batteri lattici vengono utilizzati per la fermentazione dello yogurt e producono acido lattico facendo calare quindi il pH e non permettono la proliferazione di altri microrganismi. Inoltre il prodotto risulta più sicuro perché questi batteri mangiano i substrati che potrebbero mangiare anche i patogeni, non lasciando quindi nutrienti per il loro sviluppo.
• Ci sono quindi non c'è alimenti per la cui produzione non è necessaria la modificazione della materia prima, bisogno di fermentazione. Nella vita commerciale può avvenire la contaminazione da parte di patogeni in grado di alterare il valore nutrizionale e le caratteristiche del prodotto. Molto spesso per questi alimenti si utilizzano confezionamenti che avvengono in ambiente protetto per rallentare il loro deterioramento.
• Alimenti in cui è prevista l'aggiunta di microrganismi utili alla salute, questi sono alimenti definiti probiotico: (per la vita). A questi alimenti vengono aggiunti microrganismi per incrementare il valore salutistico pro bios dell'alimento.

Microrganismi e le biotecnologie

Le biotecnologie utilizzano microrganismi o parte di questi per ottenere prodotti utili per la nostra vita. Tipi di queste biotecnologie sono:

• Biotecnologie blu, ovvero quelle marine.
• Biotecnologie verdi, ovvero quelle agroalimentari sulla soia o sul mais ad esempio. Altro esempio è la modificazione di vegetali per resistere al freddo o al caldo, la combinazione di frutti, ecc.
• Biotecnologie rosse, ovvero quelle mediche per la produzione di antibiotici ad esempio.
• Biotecnologie bianche, che sono quelle industriali, come ad esempio per la produzione di carburanti, soprattutto quelle contenenti etanolo.
• Biotecnologie grigie, ovvero quelle ambientali.

Queste biotecnologie le possiamo dividere in:

• Biotecnologie classiche per produrre prodotti più semplici come pane, birra ecc., quindi i prodotti fermentati. In questo caso non si interviene sulla genetica degli organismi.
• Biotecnologie più avanzate: applicazione di ingegneria genetica e della biologia molecolare alla selezione di nuovi organismi e alla loro manipolazione genetica. Queste manipolazioni portano agli OGM che sono esseri viventi in cui il patrimonio genetico è stato modificato in laboratorio. La possibilità di fare OGM ha vantaggi: si possono far acquisire funzioni alla piante o ai microrganismi che non sarebbero ottenibili mediante un semplice incrocio, soprattutto tra le piante ad esempio. Non possiamo manipolare geneticamente qualsiasi organismo, dobbiamo tener conto delle implicazioni etiche. Inoltre non è possibile utilizzare un microrganismo modificato nell'applicazione umana, l'unica cosa che posso fare è prendere un ceppo naturale di un microrganismo e inserirlo in un alimento, ma non posso inserire un ceppo modificato perché non so quali possono essere gli effetti degli OGM in natura. Anche se ci potrebbero essere applicazioni di notevole interesse, come creare varianti non attaccabili da certi parassiti, ma al giorno d'oggi non si può fare.

Microrganismi e cambiamenti climatici

[Articolo di riferimento (Cavicchioli, 2019, Nature Review)]. In questo articolo viene illustrato il contributo dei microrganismi anche ai cambiamenti climatici. Si stima che in tutto il mondo la quantità di microrganismi presente sia tantissima: ci sono un insieme di batteri e archea sul pianeta che è enorme (10³⁰). La complessa diversità microbica è importante nel mantenimento di una sorta di equilibrio, una sorta di global biomes. Il biomes è un sistema contenente molteplici ecosistemi che hanno in comune proprietà fisiche.

Perché i microrganismi hanno un impatto? Perché ad esempio fissano la CO₂ atmosferica nel ciclo del carbonio e al contempo contribuiscono all'emissione di CO₂ nella respirazione, nella metanogenesi, ecc. Ad esempio nell'ecosistema marino il 90% della biomassa è microbica, questo perché è un ambiente favorevole alla proliferazione microbica. Questi microrganismi producono O₂, anche se si stima che la produzione di O₂ da parte dei microrganismi marini è l'1% rispetto a quella che producono le piante.

Nello schema dell'articolo viene riassunta l'attività dei microrganismi: nell'ecosistema marino la CO₂ viene fissata dai microrganismi tramite il ciclo del carbonio e tramite varie trasformazioni, viene trasformato in carbonio organico il quale contribuisce anche alla creazione di fossili, cosa che avviene anche a livello terrestre. La combustione dei residui fossili viene consumata da noi a livello industriale e quindi avviene l'emissione di CO₂ nell'ambiente che è molto sbilanciata rispetto alla fissazione. I microrganismi agiscono sul cambiamento climatico grazie alla fissazione e l'emissione di CO₂ e O₂, ma al contrario anche i cambiamenti climatici agiscono sui microrganismi, poiché se, ad esempio, i termofili vivono a 80°, se avviene un cambiamento climatico questi microrganismi non resistono e muoiono. La conclusione di questo articolo è che sono necess... (testo incompleto).