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I microbiomi intestinali antichi possono offrire indizi sulle malattie moderne

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L’analisi genomica di campioni umani provenienti da grotte asciutte mostra nette differenze con le moderne popolazioni batteriche industrializzate.

BOSTON – (12 maggio 2021) – Gli scienziati stanno rapidamente raccogliendo prove che le varianti dei microbiomi intestinali, le raccolte di batteri e altri microbi nei nostri sistemi digestivi, possono svolgere ruoli dannosi nel diabete e in altre malattie. Ora gli scienziati del Joslin Diabetes Center hanno scoperto differenze drammatiche tra microbiomi intestinali di antiche popolazioni nordamericane e microbiomi moderni, offrendo nuove prove su come questi microbi possono evolversi con diete diverse.

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Gli scienziati hanno analizzato il DNA microbico trovato nelle paleofeci umane indigene (escrementi essiccati) provenienti da grotte insolitamente asciutte nello Utah e nel Messico settentrionale con livelli estremamente elevati di sequenziamento genomico, afferma Aleksandar Kostic, assistente investigatore Joslin, autore senior di un articolo su Nature che presenta il lavoro.

Eseguendo analisi genomiche in modo più ampio e profondo rispetto a studi precedenti su antichi microbiomi intestinali umani, lo studio è stato il primo a rivelare nuove specie di microbi nei campioni, afferma Kostic, che è anche assistente professore di microbiologia presso la Harvard Medical School.

In precedenti studi su bambini in Finlandia e Russia, Kostic ei suoi colleghi hanno dimostrato che i bambini nelle regioni industrializzate, che avevano molte più probabilità di sviluppare il diabete di tipo 1 rispetto a quelli delle aree non industrializzate, avevano anche microbiomi intestinali molto diversi. “Siamo stati in grado di identificare microbi specifici e prodotti microbici che riteniamo abbiano ostacolato una corretta educazione immunitaria nei primi anni di vita”, afferma Kostic. “E questo porta in seguito a maggiori episodi non solo di diabete di tipo 1, ma anche di altre malattie autoimmuni e allergiche”.

Quindi come sarebbe un microbioma umano sano prima degli effetti dell’industrializzazione? “Sono convinto che non si possa rispondere a questa domanda con nessun popolo vivente moderno”, dice Kostic, che sottolinea che anche le tribù nelle regioni estremamente remote dell’Amazzonia stanno contraendo il Covid-19.

Steven LeBlanc, un archeologo in precedenza presso il Peabody Museum of Archaeology and Ethnology di Harvard, è venuto a Kostic con una straordinaria fonte alternativa: il DNA microbico trovato in campioni di paleofeci umane che i musei hanno raccolto da ambienti aridi nel sud-ovest nordamericano.

Kostic e la studentessa laureata Marsha Wibowo hanno accettato la sfida, alla fine confrontando il DNA di otto campioni di intestino antico eccezionalmente ben conservati provenienti da grotte asciutte (alcuni risalenti al primo secolo dell’era attuale) con il DNA in 789 campioni moderni. Poco più della metà dei campioni moderni proveniva da persone che seguivano diete “occidentali” industrializzate e il resto da persone che consumavano cibi non industrializzati (coltivati ??principalmente all’interno delle proprie comunità).

Le differenze tra le popolazioni di microbiomi erano sorprendenti. Ad esempio, un batterio noto come Treponema succinifaciens “non è in un singolo microbioma occidentale che abbiamo analizzato, ma è in ognuno degli otto antichi microbiomi”, dice Kostic. Gli antichi microbiomi corrispondevano più strettamente ai moderni microbiomi non industriali.

Sorprendentemente, Wibowo ha scoperto che quasi il 40% delle antiche specie microbiche non era mai stato visto prima. Cosa potrebbe spiegare questa elevata variabilità genetica?

“Nelle culture antiche, i cibi che mangi sono molto diversi e possono supportare una collezione più eclettica di microbi”, ipotizza Kostic. “Ma mentre ti muovi verso l’industrializzazione e più di una dieta da drogheria, perdi molti nutrienti che aiutano a sostenere un microbioma più diversificato”.

Gli antichi microbiomi avevano anche numeri relativamente più alti dei moderni microbiomi industriali di trasposasi (elementi trasponibili di sequenze di DNA che possono cambiare posizione nel genoma).

“Pensiamo che questa potrebbe essere una strategia per l’adattamento dei microbi in un ambiente che cambia molto di più del microbioma industrializzato moderno, dove mangiamo le stesse cose e viviamo la stessa vita più o meno tutto l’anno”, dice Kostic. “Considerando che in un ambiente più tradizionale, le cose cambiano ei microbi devono adattarsi. Potrebbero usare questa raccolta molto più ampia di trasposasi per afferrare e raccogliere geni che li aiuteranno ad adattarsi ai diversi ambienti”.

Inoltre, le antiche popolazioni microbiche incorporavano meno geni legati alla resistenza agli antibiotici. Gli antichi campioni presentavano anche un numero inferiore di geni che producono proteine ??che degradano lo strato di muco intestinale, che quindi può produrre infiammazioni legate a varie malattie.

Inoltre, il lavoro potrebbe far luce su una controversia scientifica sul fatto che le popolazioni di microbi intestinali siano trasmesse verticalmente di generazione in generazione di esseri umani o si evolvano principalmente dagli ambienti circostanti.

Guardando il lignaggio dei comuni batteri Methanobrevibacter smithii negli antichi campioni, hanno scoperto che la sua evoluzione era coerente con un ceppo ancestrale condiviso che è stato datato all’incirca quando gli esseri umani migrarono per la prima volta attraverso lo Stretto di Bering nel Nord America. “Questi microbi, proprio come i nostri genomi, hanno viaggiato con noi”, dice Kostic.

Il progetto di ricerca è iniziato con la necessità di identificare campioni di paleofeci umane non contaminati che sono stati conservati in condizioni insolitamente buone. “Quando abbiamo ricostruito questi genomi, abbiamo cercato di essere molto conservatori”, dice Wibowo.

Oltre alla datazione al carbonio-14, gli scienziati hanno utilizzato analisi dietetiche e altri metodi per convalidare che i campioni selezionati fossero effettivamente umani e non contaminati dal suolo o da altri animali come i cani, dice. I ricercatori hanno anche confermato che i campioni scelti mostravano i modelli di decadimento che tutto il DNA è noto esibire nel tempo.

Il team ha eseguito un sequenziamento del DNA molto più profondo rispetto a quanto ottenuto negli sforzi precedenti, almeno 100 milioni di letture, con 400 milioni di letture di DNA per un campione.

Un collaboratore, l’antropologa Meradeth Snow, PhD, dell’Università del Montana a Missoula, ha guidato un’iniziativa per ottenere prospettive sul lavoro dalle comunità indigene dei nativi americani nella regione del sud-ovest. “Riconosciamo e apprezziamo quegli individui la cui genetica e microbi sono stati analizzati per questa ricerca, così come gli individui di oggi con un patrimonio genetico o culturale associato”, sottolinea lo studio.

I ricercatori hanno in programma di espandere i loro studi a molti altri antichi campioni di microbioma, con l’obiettivo di rilevare nuove specie microbiche e cercando di prevedere le loro funzioni metaboliche. Kostic è incuriosito dalla possibilità di resuscitare questi antichi microbi in laboratorio, inserendo antichi genomi nelle specie batteriche viventi più vicine. “Se riusciamo a coltivarli in laboratorio, possiamo capire la fisiologia di questi microbi molto, molto meglio”, dice.

LeBlanc ha aiutato gli investigatori di Joslin a raccogliere collaboratori, reclutati alla fine da una dozzina di istituzioni. Tra i contributi chiave, il dottor Snow del Montana ha guidato l’estrazione e la preparazione del DNA antico e Christina Warinner, PhD di Harvard, ha offerto la sua esperienza sull’antico microbioma umano. “È stato fantastico imparare da tutti questi brillanti collaboratori”, afferma Wibowo. “Ci vuole davvero un villaggio.”

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Zhen Yang di Joslin, Braden Tierney, Samuel Zimmerman e Jacob Luber erano coautori dell’articolo. Così erano Maxime Borry e Alexander Hübner del Max Planck Institute; Kun Huang, Omar Rota-Stabelli e Nicola Segata dell’Università di Trento; Francisco Barajas-Olmos, Cecilia Contreras-Cubas, Humberto García-Ortiz, Angélica Martínez-Hernández e Lorena Orozco dell’Istituto Nazionale Messicano di Medicina Genomica; Philipp Kirstahler e Sünje Johanna Pamp dell’Università Tecnica della Danimarca; Tre Blohm dell’Università del Montana; Francis Smiley della Northern Arizona University; Richard Arnold della tribù Pahrump Paiute e Consolidated Group of Tribes and Organizations; Sonia Ballal del Boston Children’s Hospital; Julia Russ e Karl Reinhard dell’Università del Nebraska a Lincoln;

Il supporto principale è venuto dall’American Diabetes Association, dalla Smith Family Foundation e dall’American Heart Association.