Ricerca

Modellare il microbioma

I fisici della UCSB sviluppano nuovi approcci matematici per analizzare le interazioni tra i batteri intestinali.

Il microbioma intestinale – il mondo dei microbi che popola il tratto intestinale umano – ha catturato l’interesse di scienziati e clinici per il suo ruolo fondamentale nella salute. Tuttavia, analizzare quale di questi microbi sia responsabile degli effetti sul nostro benessere rimane un mistero.

Facendoci fare un passo avanti nella risoluzione di questo puzzle, i fisici della UC Santa Barbara Eric Jones e Jean Carlson hanno sviluppato un approccio matematico per analizzare e modellare le interazioni tra i batteri intestinali nei moscerini della frutta. Questo metodo potrebbe portare a una comprensione più sofisticata delle complesse interazioni tra i microbi intestinali umani.

Le loro scoperte appaiono negli Atti della National Academy of Sciences.

“Soprattutto negli ultimi 20 anni circa, gli scienziati hanno scoperto che il microbioma interagisce con il resto del tuo corpo, con il tuo sistema immunitario, con il tuo cervello”, ha detto Jones, ricercatore universitario nel laboratorio di Carlson. “Molte malattie sono associate a certe composizioni microbiche nell’intestino.”

Il microbioma intestinale umano è ancora troppo diverso per essere analizzato in modo completo. Invece, il team di ricerca, guidato da Carnegie Institution per il biologo della scienza Will Ludington, ha usato il moscerino della frutta come un organismo modello per stuzzicare il modo in cui la presenza di particolari batteri intestinali potrebbe portare a effetti fisici e comportamentali nell’organismo ospite.

Nel loro articolo “Le interazioni tra microbiomi formano l’idoneità dell’ospite”, Carlson, Jones, Ludington e colleghi esaminano le interazioni tra cinque specie principali di batteri che si trovano nell’intestino e calcolano come la presenza o l’assenza di singole specie influenzi gli aspetti dell’idoneità del moscerino, tra cui durata della vita, fertilità e sviluppo. “Il modo classico in cui pensiamo alle specie batteriche è in un contesto in bianco e nero come agenti di malattia – o ce l’hai o non lo fai”, ha detto Ludington. “Il nostro lavoro dimostra che non è il caso del microbioma: gli effetti di una particolare specie dipendono dal contesto in cui sono presenti anche altre specie”.

Basandosi su ricerche precedenti che hanno trovato la presenza contro l’assenza di batteri colpiti dalla longevità di un organismo (ospiti sterili vissuti più a lungo), il lavoro dei ricercatori su questo progetto ha rivelato che la situazione è molto più sfumata. Ad esempio, la presenza di alcuni batteri potrebbe aumentare la fecondità dell’ospite, mentre altri potrebbero ridurne la longevità. “Quando abbiamo esaminato il totale di ciò che chiamiamo fitness di una mosca – è la possibilità di sopravvivere e di generare prole – abbiamo scoperto che c’era un compromesso tra una vita breve con un sacco di prole, rispetto a una lunga durata con pochi figli, “Ha spiegato Ludington. “Questo compromesso è stato mediato dalle interazioni dei microbiomi”.

Per decifrare queste interazioni, Ludington hanno eseguì un test combinato, allevando 32 lotti di moscerini ciascuno abitato da una combinazione unica dei cinque batteri. Per ogni combinazione batterica, Ludington ha misurato lo sviluppo, la fecondità e la longevità dell’insetto. L’analisi delle interazioni ha richiesto a Carlson e Jones di sviluppare nuovi approcci matematici.

“Un modello che spesso sarebbe un punto di partenza è di considerare le interazioni tra coppie di batteri”, ha detto Carlson, la cui ricerca approfondisce la fisica dei sistemi complessi. “Questa ricerca ci mostra che un modello strettamente a coppie non cattura tutti i tratti osservati nell’insetto.”

Ciò che lo studio mostra, hanno detto i ricercatori, è che le interazioni tra le popolazioni batteriche sono tanto significative per l’idoneità generale dell’ospite quanto la loro presenza – l’influenza del microbioma non può essere attribuita unicamente alla presenza o all’assenza di singole specie. “In un certo senso”, ha detto Jones, “l’influenza del microbioma sull’ospite è più della somma delle sue parti”.

I modelli di nuova concezione potrebbero essere estesi per comprendere meglio le interazioni tra le migliaia di diverse specie di batteri nel microbioma umano, che potrebbero, a loro volta, far luce sulle molte connessioni alle malattie associate ai microbiomi, inclusi disturbi dell’umore, disfunzioni neurologiche, malattie autoimmuni e superbatteri resistenti agli antibiotici.

“In molti casi le infezioni sono causate da batteri che tutti abbiamo in noi per tutto il tempo di vita, e sono tenuti sotto controllo dai batteri dell’intestino nativo”, ha detto Carlson. Non è tanto che l’infezione sia un batterio nuovo, orribile, ha spiegato, ma che le popolazioni di altri batteri sono cambiate, determinando una crescita senza restrizioni per i batteri infettivi.

“Si tratta davvero di capire le dinamiche della popolazione di questi sistemi”, ha detto.

###

La ricerca su questo studio è stata condotta anche da Alison Gould, Vivian Zhang e Benjamin Obadia di UC Berkeley; Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis e Niko Beerenwinkel dell’ETH di Zurigo; e Alex Gavryushkin dell’Università di Otago.

Categorie:Ricerca

Con tag:,

Rispondi

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.