Microbiota umano e metagenomica

Microbiota umano e metagenomica

Microbiologia: studio della struttura e delle funzioni dei microrganismi (batteri, funghi, ecc.)

Microbiota: insieme di tutti i microrganismi che vivono in un determinato ecosistema, nel caso del

microbiota umano si intendono quei microrganismi che colonizzano il corpo umano. I microrganismi

sono a contatto con l’ambiente, con l’ospite e con altri microrganismi, sfruttando la comunicazione

attraverso strutture extracellulari.

Metagenomica: 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.

I microrganismi sono sia cellule eucariotiche che procariotiche. L’albero della vita è diviso in tre

domini: bacteria e archea che fanno parte dei procarioti ed eucariota.

Bacteria ed eucariota (Eucarya) sono molto ben divisi.

Quando si è avuto a disposizione lo studio del DNA, questo ha permesso uno studio più approfondito

che ha evidenziato come archea abbia caratteristiche genetiche più simili ad eucariota, nonostante la

somiglianza morfologica a bacteria.

I microrganismi sono i modelli per i diversi studi.

Negli ultimi decenni si è studiato che i microrganismi che colonizzano il nostro corpo influenzano la

salute umana da vari punti di vita.

L’insieme dei microrganismi che risiedono in una nicchia ecologia viene definito microbiota.

Negli ambienti naturali convivono molti tipi di microrganismi diversi che interagiscono strettamente

tra di loro e con il microambiente che occupano, la loro ‘micronicchia’ ecologica.

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Nell’uomo, la maggior parte dei batteri vive nell’intestino, circa 500 specie diverse.

Ogni batterio o microrganismo produce metaboliti e proteine.

La ricerca cerca di comprendere cosa l’attività microbica comporta all’uomo. Lo studio delle attività

microbiche porta alla comprensione del ruolo svolto dai microrganismi nell’ambiente che occupano.

Le attività dei microrganismi possono essere dirette, ovvero i prodotti del metabolismo microbico, o

indirette, ovvero le sostanze che produce l’ospite sotto stimolo della presenza del microrganismo.

Il microbiota è estendibile a molti altri settori importanti per la salute dell’uomo.

Il rapporto tra microrganismi ed essere umano è importantissimo, ma anche quello che essi hanno

con l’agricoltura, gli alimenti, le biotecnologie, nonostante si stia indagando anche quale sia il loro

ruolo con l’ambiente, i cambiamenti climatici e l’energia.

Relativamente al loro rapporto con gli esseri viventi, i batteri hanno due nature in quanto possono

essere normali colonizzatori del corpo o microrganismi dannosi o invadenti (patogeni).

Come colonizzatori del corpo, moltissimi sono innocui e hanno un ruolo benefico verso la salute, per

esempio il microbiota intestinale.

Come agenti di malattie, si tratta di microrganismi dannosi (patogeni) la cui presenza porta allo

sviluppo di infezioni. Il livello del danno che deriva da un’infezione dipende dalla patogenicità

dell’invasore e dalla relativa resistenza dell’ospite.

Si cercò di capire come invadessero le cellule, perché, quali molecole producessero, ma anche la

capacità di scappare dal sistema immunitario causando reazioni infiammatorie.

Lo studio dei patogeni ora è lo studio della microbiologia medica. Per virulenza si intende la misura

quantitativa della capacità di un patogeno di infliggere un danno.

Il potere di danneggiamento dell’ospite di un patogeno dipende da:

o Capacità di colonizzare.

o Capacità di invadere (invasività).

o Capacità di elaborare tossine.

o Capacità di indurre una risposta difensiva infiammatoria e immunitaria.

I microrganismi patogeni agiscono in vari modi:

o Alterando nell’ospite le barriere per la permeabilità.

o Utilizzando strutture di superficie per attaccare e aderire a tessuti ospiti.

o Impiegando strutture contro la fagocitosi.

o Adottando mimetismi antigenici.

o Impiegando proteine sensoriali che rispondono a stimoli ambientali che determinano

l’espressione di geni specifici di virulenza e geni importanti per la stessa sopravvivenza del

patogeno.

I microrganismi buoni sono molti di più dei patogeni. Quelli che colonizzano il nostro intestino

formano il microbioma vengono considerati un vero e proprio organo. Proteggono dalle malattie.

I microrganismi del suolo sono fondamentali per il ciclo del carbonio, in quanto partecipano insieme

alle piante alla fissazione della CO presente nell’aria che viene trasformata in carbonio organico che

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diviene costituente delle cellule batteriche o si accumula come sostanza organica nel suolo

(cianobatteri). Rivestono particolare importanza anche nel ciclo dell’azoto, in quanto batteri

azotofissatori convertono l’azoto atmosferico (N ) in azoto organico che poi, sempre grazie a batteri,

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viene trasformato in forme assimilabili per le piante (NH ) (es: cianobatteri, leguminose Rhizobium).

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Tra questi si trovano anche batteri che trasformano l’azoto organico (es. scorie animali) in sali di

ammonio (Nitrobacter).

In agricoltura hanno molta importanza i microrganismi del rumine. I ruminanti sono in grado di

utilizzare cellulosa ed emicellulosa di cui sono ricchi i vegetali, sostanze indigeribili per gli altri

mammiferi. I prodotti di fermentazione vengono assorbiti dalla parete ruminale e arrivano alla

ghiandola mammaria dove sono utilizzati per la sintesi dei precursori del latte.

Tutti i batteri ruminali sono in grado di utilizzare azoto non proteico e azoto inorganico come l’urea

consentendo al ruminante di sfruttare forme semplici di azoto, altrimenti non utilizzabili, che

vengono convertite nel rumine in proteine di elevato valore biologico.

Ha molta importanza anche il microbiota degli insilati, fermentatori per la conservazione del

foraggio destinato all’alimentazione degli animali. L'insilato è il prodotto di una tecnica di

conservazione del foraggio (insilamento) che si realizza per acidificazione della massa vegetale

causata da microrganismi anaerobi, impedendo così ad altri microrganismi di colonizzare la massa

vegetale che potrebbero provocarne la perdita di valore nutritivo e sviluppo di sostanze

potenzialmente tossiche per gli animali ai quali il prodotto è destinato.

Il microbiota del terreno è importante perché il suolo è la base di produzione della nostra

alimentazione e rappresenta la banca della diversità microbica da cui una pianta preleva

selettivamente i metaboliti per soddisfare le sue esigenze.

Il microbiota ambientale permette la degradazione di sostanze inquinanti per l’ambiente (prodotti

senobiotici), ovvero quelle estranee all’ambiente ma che danneggiano anche l’intestino. Questi

microrganismi, grazie al loro metabolismo, riescono a degradare queste sostanze (ex. petrolio,

pesticidi e altri composti tossici per l’ambiente) attraverso un processo chiamato biorisanamento.

Permettono anche la trasformazione dei rifiuti solidi (compostaggio), processo di trasformazione

della frazione organica biodegradabile del rifiuto solido urbano, da parte del microbiota indigeno, per

ottenere del fertilizzante organico. Sono anche utilizzati nel 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.

Relativamente all’energia, la biomassa microbica, i prodotti di scarto domestici, agricoli e di origine

animale possono essere convertiti in biogas come metano dall’attività di specifici gruppi microbici.

Le biomasse sono coinvolte anche nel processo di produzione dell’elettricità e altre energie

alternative, soprattutto grazie a batteri elettrogenici.

Per quanto riguarda quei batteri che hanno rapporti con gli alimenti, questi possono essere una

presenza utile. L’attività diretta o indiretta di microrganismi usati nei processi di trasformazione degli

alimenti (alimenti fermentati) contribuiscono alla conservabilità e al raggiungimento delle

caratteristiche di aroma, sapore e consistenza (caratteristiche organolettiche) del prodotto finito.

La loro presenza può anche essere dannosa in quanto possono causare contaminazione da parte di

microrganismi patogeni e deterioranti, causando problemi igienico-sanitari e deprezzamento della

qualità organolettica. 3

In merito alle biotecnologie, questi possono essere utilizzati per ottenere dei prodotti.

Le biotecnologie “classiche” consentono di ottenere vino, birra e distillati, pane, formaggio, prodotti

che derivano da processi fermentativi operati da microrganismi.

Le biotecnologie “avanzate” applicano le scoperte dell'ingegneria genetica e della biologia

molecolare alla selezione di nuovi organismi e alla creazione di nuovi prodotti (OGM).

Gli OGM sono esseri viventi il cui patrimonio genetico è stato manipolato e modificato in laboratorio.

I microrganismi hanno anche un ruolo nel cambiamento climatico. Si stima che i microrganismi

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(Bacteria e Archea) presenti sul pianeta siano ~10 . La complessa diversità microbica è importante

nel mantenimento di un “healthy global ecosystem (global BIOMES)”.

I microrganismi contribuiscono a fissare CO (fitoplancton negli ambienti marini) e in generale sul

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ciclo del carbonio. I microrganismi contribuiscono alle emissioni di CO con processi di respirazione,

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metanogenesi e denitrificazione.

Dimensioni della cellula procariotica

Le dimensioni delle cellule procariotiche variano da diametri di 0.2 μm a 50 μm.

Queste cellule non hanno un nucleo, quindi il DNA si trova sparso nel citoplasma, organizzato in una

struttura chiamata nucleoide.

La cellula procariotica è più semplice della eucariota.

A livello di membrana cellulare presentano delle differenze in quanto non hanno steroli ma strutture

similari. La parete cellulare è formata da peptidoglicano o mureina, assenti nelle cellule eucariotiche

in quanto non possiedono una vera e propria parete.

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Le strutture extracellulari sono coinvolte

nel rapporto dei microrganismi con

l’ospite e altri microrganismi.

In base alla struttura della parete cellulare

i batteri possono essere divisi in Gram-

positivi e Gram-negativi.

Questa differenziazione è data dalla loro

diversa reazione alla colorazione di Gram,

dovuta proprio alle differenze nella loro

parete.

La colorazione si basa sulla diversa

permeabilità della parete cellulare al

colorante, il Cristal violetto, e alla

successiva decolorazione con alcool o

acetone. 5

I Gram-positivi hanno uno spesso strato di peptidoglicano, un piccolo spazio periplasmatico e una

membrana citoplasmatica, che delimita il citoplasma. La membrana è quindi interna. Alla colorazione

di Gram risultano viola.

I Gram-negativi hanno una membrana cellulare esterna formata da lipopolisaccaridi e proteine, un

grande spazio peri-plasmatico con un sottile strato di peptidoglicano centrale e una membrana

citoplasmatica interna. Alla colorazione di Gram risultano rosa.

Tanti Gram-negativi sono patogeni grazie alla

loro parete esterna e alla sua complessità.

Queste caratteristiche della membrana

esterna stimolano la risposta del sistema

immunitario.

La membrana ha una struttura complessa, è

lipopolisaccaridica (LPS).

È una membrana asimmetrica costituita da

fosfolipidi nel foglietto interno e

lipopolisaccaride (LPS) nel foglietto esterno in

cui sono immerse proteine transmembrana.

LPS è costituito da tre parti:

1. Lipide A: parte lipidica che ancora il LPS alla membrana esterna. Porzione lipidica del

lipopolisaccaride tossica per gli animali (endotossina).

2. Regione polisaccaridica o core: costituito da un polisaccaride interno che contiene zuccheri a

sette atomi di C e un polisaccaride esterno che contiene zuccheri con 6-7 atomi di carbonio.

3. Antigene O: legato al core, è una regione molto variabile anche all’interno della stessa specie

di Gram-negativi. Catena polisaccaridica esterna costituita da unità tetra o penta-

saccaridiche ripetute che si estendono verso l’esterno.

LPS rappresenta un importante segnale della presenza batterica (O è in grado di indurre la

produzione di anticorpi specifici nell’ospite, A è in grado di attivare l’immunità innata nell’ospite).

Quando il sistema immunitario percepisce LPS viene innescata una risposta pro-infiammatoria

fortissima che può portare a shock settico causato dalla presenza di LPS con le sue strutture.

I Gram-positivi sono costituiti dal 90% di peptidoglicano, ma non solo. In esso sono immerse altre

strutture che protrudono verso l’esterno, come le proteine associate alla parete, gli acidi teicoici e

lipoteicoici, polisaccaridi acidi che presentano legami fosfodiesterici. Sono come delle catene che

escono dalla cellula e protrudono all’esterno. 6

Gli acidi teicoici sono polisaccaridi acidi che

conferiscono una carica negativa alla

superficie cellulare grazie alla presenza di

residui di fosfato e possono contribuire al

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passaggio di ioni (Ca , Mg ) attraverso la

parete cellulare. Sono polimeri formati da

catene di ribitolo o glicerolo unite da legami

fosfodiesterici.

Gli acidi teicoici sono legati covalentemente

al gruppo 6-ossidrile (-OH) dell’acido

muramico della parete cellulare.

Gli acidi teicoici che sono strettamente legati

ai lipidi della membrana vengono detti acidi lipoteicoici (LTA).

Il loro ruolo per la cellula non è completamente chiaro, ma si suppone che abbiano un ruolo

strutturale e che siano coinvolti nei processi di interazione alle mucose cellulari dell’ospite in alcuni

patogeni (come in Streptococcus) o in batteri commensali (come Bifidobacterium).

Questi acidi sono coinvolti nella virulenza nel caso di organismi patogeni (Gram-negativo come

Streptococcus pneumoniae), ma nel caso di microrganismi “buoni” (Gram-positivo come

Lacticaseibacillus rhamnosus) sono coinvolti nello stimolo della risposta immunitaria innalzando

IFN-γ (interferone), IL-5, IL-13 e IL-17A.

Le vescicole extracellulari (OMV) sono piccole vescicole (50-250 nm di diametro) prodotte da batteri

Gram-negativi e da alcuni Gram-positivi quando devono fare uscire delle sostanze da essi prodotte

(enzimi, tossine in caso di batteri patogeni, determinanti antigenici e acidi nucleici).

La loro membrana esterna si ripiega con all’interno questo liquido e poi si stacca la vescicola.

Sono quindi un sistema di secrezione, chiamato sistema di secrezione tipo 0 poiché si pensa sia un

sistema molto antico rispetto agli altri scoperti in precedenza.

Molti studi evidenziano il ruolo che possono avere

nella risposta antitumorale e quindi possono avere un

ruolo importante nei trattamenti di immunoterapia

oncologica contro vari tipi di tumore.

Il sistema immunitario del soggetto lo si cerca di

armare in modo che esso sia in grado di eliminare le

cellule tumorali. Queste vescicole si accumulano nei

tessuti tumorali e possono aiutare a stimolare il

sistema immunitario a reagire meglio eliminando le

cellule tumorali.

Le cellule tumorali sono cellule che sono riuscite ad

eludere la sorveglianza del sistema immunitario.

I bifidobatteri sono batteri intestinali Gram-positivi non mobili, non sporigeni (non producono spore),

morfologicamente ramificati, anaerobi stretti che fermentano gli zuccheri producendo acido acetico

e acido lattico. Cambiano morfologia a seconda di come crescono. Sono presenti sia negli uomini che

negli animali che effettuano una cura parentale nei confronti dei cuccioli.

Sono presenti anche in insetti come api. La loro temperatura ottimale è tra i 37°C e i 41°C.

Sono acido-tolleranti, quindi, vivono ad un pH ottimale di 3,5.

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Le vescicole extracellulari prodotte dai bifidobatteri è stato dimostrato che hanno un ruolo nel cancro

del polmone. Armano il sistema immunitario in modo che questo riesca ad agire contro le cellule

tumorali. Le vescicole contengono LTA (acidi lipoteicoici) che vengono veicolati all’esterno della

cellula e che stimolano il sistema immunitario.

Alcune strutture esterne sono molto importanti per la sopravvivenza della cellula poiché sono

implicate in molti processi: adesione a substrati, protezione dalla fagocitosi, interazione con le altre

cellule e con l’ambiente. Tra queste strutture ci sono il glicocalice, le fimbrie e i pili, i nanotubi e lo

stato paracristallino o S-layer. Queste strutture non le hanno tutti gli organismi ma solo alcuni.

Il glicocalice è un materiale di natura polisaccaridica che ricopre interamente la cellula.

Ne esistono due tipi: può essere organizzato in una fitta matrice che non lascia passare particelle

(capsula) oppure può non essere organizzato ed è deformabile, costituito da materiale diffuso e non

è in grado di impedire il passaggio di particelle (strato mucoso).

Ha diverse funzioni:

1. Adesione e interazione ad altri batteri e a superfici.

2. Conferisce resistenza all’essiccamento poiché gli strati

polisaccaridici esterni sono in grado di assorbire una

notevole quantità di acqua.

3. Stimolazione del sistema immunitario.

4. Protezione da fagocitosi e agenti microbici.

Lo strato mucoso è spesso costituito da polisaccaridi ad alto peso

molecolare anche detti esopolisaccaridi (EPS). Raramente può

essere un polimero di aminoacidi (es. glutammato in Bacillus

antharcis).

In patogeni come Haemophilus influenziae o Neisseria meningitis viene usata per raggiungere gli

organi bersaglio.

Streptococcus mutans scinde il saccarosio in fruttosio e glucosio, usando quest’ultimo pe