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I batteri registrano  lo stato di salute dell’intestino

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Il nostro intestino ospita innumerevoli batteri, che ci aiutano a digerire il cibo. Ma cosa fanno esattamente i microrganismi all’interno del corpo? Quali enzimi producono e quando? E in che modo i batteri metabolizzano gli alimenti salutari che ci aiutano a evitare le malattie?

Per ottenere risposte a tali domande, i ricercatori del Dipartimento di scienza e ingegneria dei biosistemi dell’ETH di Zurigo a Basilea hanno modificato i batteri in modo che funzionassero come data logger per informazioni sull’attività genica. Insieme agli scienziati dell’Ospedale universitario di Berna e dell’Università di Berna, hanno ora testato questi batteri nei topi. Questo è un passo importante verso l’utilizzo futuro dei batteri sensori in medicina per applicazioni come la diagnosi della malnutrizione e la comprensione di quali diete sono buone per un individuo.

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Il sistema immunitario diventa data logger

La funzione data logger è stata sviluppata negli ultimi anni da ricercatori guidati da Randall Platt, professore di ingegneria biologica all’ETH di Zurigo. Per fare ciò, hanno utilizzato il meccanismo CRISPR-Cas, che è un tipo di sistema immunitario presente naturalmente in molte specie batteriche. Se i batteri vengono attaccati da virus, possono incorporare frammenti di DNA o RNA virale in una sezione del proprio genoma chiamata array CRISPR. Ciò consente ai batteri di “ricordare” i virus con cui sono entrati in contatto, consentendo loro di combattere un futuro attacco virale con maggiore velocità.

Per utilizzare questo meccanismo come data logger, i ricercatori non si sono occupati di frammenti di DNA di intrusi virali, ma si sono concentrati su qualcos’altro: il meccanismo può essere sfruttato in modo tale che i batteri incorporino frammenti del proprio RNA messaggero (mRNA) nell’array CRISPR. Le molecole di mRNA sono il modello che le cellule usano per produrre le proteine. In quanto tali, frammenti di mRNA possono rivelare quali geni vengono utilizzati per costruire proteine ????per l’esecuzione delle funzioni cellulari.

Per rendere il metodo efficace, gli scienziati hanno introdotto l’array CRISPR della specie batterica Fusicatenibacter saccharivorans in un ceppo del batterio intestinale Escherichia coli , considerato sicuro per l’uomo e disponibile come probiotico. Il trasferimento includeva il progetto di un enzima chiamato trascrittasi inversa, che è in grado di trascrivere l’RNA nel DNA. Questo enzima trascrive anche le informazioni nell’mRNA in forma di DNA, che insieme alle proteine ??associate a CRISPR è necessaria per incorporare il frammento di DNA nell’array CRISPR.

Ottenere informazioni senza disturbare il corpo

Successivamente, i ricercatori dell’Ospedale universitario di Berna e dell’Università di Berna, guidati da Andrew Macpherson, hanno somministrato questi batteri intestinali modificati ai topi in laboratorio. Hanno raccolto campioni fecali dagli animali e isolato il DNA batterico, che hanno poi analizzato utilizzando il sequenziamento del DNA ad alto rendimento. Con una successiva valutazione bioinformatica, eseguita e valutata in collaborazione, sono stati in grado di elaborare la massa di dati e ricostruire l’informazione genetica degli snippet di mRNA. Ciò ha permesso agli scienziati di determinare con mezzi non invasivi con quale frequenza i batteri intestinali hanno prodotto una data molecola di mRNA durante il loro tempo nel corpo, e quindi quali geni sono attivi.

“Questo nuovo metodo ci consente di ottenere informazioni direttamente dall’intestino, senza dover disturbare le funzioni intestinali”, afferma Andrew Macpherson, professore e direttore di gastroenterologia presso l’ospedale universitario di Berna. In quanto tale, il metodo presenta importanti vantaggi rispetto alle endoscopie, che possono essere spiacevoli per i pazienti e comportano sempre un disturbo della funzione intestinale, poiché le viscere devono essere vuote per l’esame.

Determinazione dello stato dietetico

“I batteri sono molto bravi a registrare le condizioni ambientali e ad adattare il loro metabolismo a nuove circostanze come i cambiamenti nella dieta”, afferma Macpherson. In esperimenti con topi a cui sono stati somministrati cibi diversi, i ricercatori sono stati in grado di mostrare come i batteri hanno adattato il loro metabolismo al rispettivo apporto di nutrienti. Un rapporto sui risultati è stato pubblicato nell’ultimo numero della rivista Science [http://doi.org/10.1126/science.abm6038].

I ricercatori vorrebbero sviluppare ulteriormente il metodo, in modo che un giorno possano studiare i pazienti umani per vedere come la dieta influenza l’ecosistema intestinale e come questo influisce sulla salute. In futuro, sperano di utilizzare il metodo per determinare lo stato dietetico di bambini o adulti. Grazie a queste informazioni, i medici saranno in grado di diagnosticare la malnutrizione o decidere se un paziente ha bisogno di integratori alimentari.

Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di riconoscere le risposte infiammatorie nell’intestino. I ricercatori hanno somministrato i batteri sensori a topi con infiammazione intestinale e topi sani. In questo modo, potrebbero identificare il profilo specifico dell’mRNA dei batteri intestinali che passano alla modalità di infiammazione.

Distinguere diversi batteri

L’attuale ricerca pubblicata sulla rivista Science include uno sviluppo scientifico che consente ai ricercatori di distinguere due ceppi di batteri l’uno dall’altro sulla base di singoli “codici a barre” genetici. In futuro, ciò consentirà di studiare negli animali da laboratorio la funzione delle mutazioni geniche nei batteri. Ciò consentirà agli scienziati di confrontare il profilo dell’mRNA di diversi batteri, come quelli normali rispetto ai batteri mutanti. Grazie al data logger molecolare è possibile per la prima volta determinare questo profilo, poiché attraversano l’intestino non solo quando i batteri raggiungono le feci, in modo che le informazioni mostrino cosa stava succedendo quando i batteri vivevano ancora nel intestino.

Un’altra strada ipotizzabile sarebbe quella di sviluppare ulteriormente il sistema per distinguere i profili di RNA dei batteri nell’intestino tenue e crasso. Inoltre, la funzione di data logger potrebbe essere incorporata in altri tipi di batteri. Ciò aprirebbe la porta ad applicazioni nel monitoraggio ambientale. Un’analisi dei batteri del suolo da un campo coltivato, ad esempio, stabilirebbe se sono stati utilizzati erbicidi.

Possibile applicazione sicura

I ricercatori hanno depositato domande di brevetto per il metodo stesso e per i caratteristici profili di RNA che sono firme di alcune molecole nutritive e indicatori di salute intestinale.

Prima che i batteri del sensore possano essere utilizzati al di fuori del laboratorio, compresi i pazienti umani, gli scienziati devono ancora chiarire varie questioni legali e di sicurezza, poiché i batteri sono stati geneticamente modificati. “In linea di principio, ci sono modi per utilizzare microrganismi vivi geneticamente modificati come agenti diagnostici o terapeutici in medicina, a condizione che vengano soddisfatte determinate condizioni”, spiega Platt. È possibile, ad esempio, modificare i batteri del sensore in modo che abbiano bisogno di determinati nutrienti e quindi possano sopravvivere solo all’interno dell’intestino di un paziente. Non appena questi particolari batteri lasciano l’intestino, moriranno. L’integrazione di adeguati meccanismi di sicurezza è il passo successivo verso l’applicazione del metodo in medicina.

Questo lavoro di ricerca è stato sostenuto dalle sovvenzioni ERC concesse a Randall Platt e Andrew Macpherson e da una sovvenzione del Botnar Research Center for Child Health. Gli studi sui topi sono stati condotti presso il Clean Mouse Facility dell’Università di Berna, che è sostenuto dalla fondazione di ricerca Genaxen.

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Riferimento

Schmidt F, Zimmermann J, Tanna T, Farouni R, Conway T, Macpherson AJ, Platt AJ: valutazione non invasiva della funzione intestinale utilizzando cellule sentinella di registrazione trascrizionale. Science , 12 maggio 2020, doi: 10.1126/science.abm6038 [http://doi.org/10.1126/science.abm6038]

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