Nuova fase della ricerca sul microbioma

Immagine:microbioma.Public Domain.

Negli ultimi due decenni di ricerca sul microbioma, gli scienziati hanno accumulato una vera guida sul campo per questi microbi che vivono su, dentro e intorno a noi e hanno iniziato a capire il ruolo fondamentale che i microbi giocano nella nostra digestione e nel nostro sistema immunitario, così come il loro contributo alla salute e alla malattia. Trilioni di microbi – batteri, virus, funghi – colonizzano nel nostro corpo e il loro genoma delle istruzioni genetiche lavora insieme al nostro.

“Penso che la ricerca sul microbioma stia entrando in una nuova entusiasmante fase in cui possiamo iniziare a sperimentare insieme per avere una comprensione più solida dei meccanismi di ciò che accade ai microbi negli esseri umani nel tempo e di come si relazionano alla malattia”, ha detto Georg Gerber della Harvard Medical School Professore associato di patologia e capo della divisione di patologia computazionale presso il Brigham and Women’s Hospital.

Gerber ha concentrato gli ultimi dieci anni sulla creazione e metodi di apprendimento automatico e ad applicarli per comprendere meglio il ruolo che questi microbi svolgono nella salute e nella malattia, con l’idea di intervenire per correggere gli squilibri del microbiota che sono stati collegati a una gamma crescente di disturbi compresi obesità, diabete e cancro. Gerber ha ideato nuovi modelli e metodi computazionali per studiare come la mancanza o la presenza di alcuni batteri potrebbe portare ad allergie alimentari e per prevedere la ricorrenza  dell’infezione da C. difficile nei pazienti.

In un recente progetto, lui e il co-ricercatore principale Harris Wang della Columbia University stanno creando nuove tecnologie per decifrare le regole che governano la colonizzazione e il mantenimento di queste comunità microbiche estremamente complesse nel tempo.

Negli ultimi anni di ricerca sul microbioma, gli scienziati hanno accumulato una vera guida sul campo per la comprensione di questi microbi.

Vedi anche:Sviluppato un indice di salute del microbioma intestinale

I ricercatori stanno analizzando il livello genetico dei microbi con le ultime tecnologie di biologia sintetica create da Wang. Stanno anche facendo un passo indietro per acquisire un’immagine più olistica di come i microbi si comportano nel tempo e in quali luoghi applicando gli strumenti computazionali che Gerber ha escogitato per trovare un significato da enormi quantità di dati.

La chiave della collaborazione

“Affinché questa prossima fase di ricerca abbia successo, richiederà questo tipo di collaborazioni che abbracciano la parte computazionale e il modo creativo ad alto rendimento di guardare ai problemi biologici”, ha commentato Gerber che ha collaborato in passato con Wang, che lavorava nel  laboratorio di George Church all’HMS.

Gerber e Wang stanno usando un modello murino per vedere cosa succede quando nuovi microbi vengono aggiunti al microbiota esistente di un topo – quali microbi colonizzano, quali sono esclusi e perché si verifica la colonizzazione o l’esclusione. Osserveranno anche cosa succede alla miscela di microbi quando i topi, messi in gabbia separatamente e ciascuno con la propria combinazione unica di microbi, vengono messi insieme ad altri nella stessa gabbia.

“È come se viaggiassimo in un luogo diverso o interagissimo con altre persone a livello locale”, ha spiegato. “Ci stiamo scambiando i microbiomi”.

Ognuno di noi ospita una combinazione unica di microbi, aumentando la complessità, ma anche il potenziale per terapie personalizzate basate sul microbioma.

Con le tecnologie sperimentali che stanno mettendo a punto, Gerber spera anche di determinare se la posizione dei microbi nell’intestino fa la differenza. Ad esempio, c’è una differenza nei microbi situati vicino alle cellule epiteliali, che sono parte integrante della diafonia tra i microbi e il sistema immunitario dell’ospite?

“Se riusciamo a fare progressi nella comprensione di questi meccanismi e ruoli, penso che possano darci informazioni reali su terapie che funzioneranno per una serie di malattie infettive, malattie autoimmuni come l’artrite reumatoide e altre malattie legate al microbioma“, ha detto Gerber.

Gerber insieme a Lynn Bry, Professore associato di patologia presso l’HMS e Direttore del Massachusetts Host-Microbiome Center a Brigham and Women’s e Talal Chatila dell’ HMS, Denise e David Bunning Professore di pediatria nel campo dell’allergia e immunologia al Boston Children’s Hospital, hanno usato le loro scoperte per sviluppare un cocktail di batteri per ripristinare l’equilibrio microbico, una potenziale cura per le allergie alimentari.

Il laboratorio di Gerber ha creato un nuovo strumento, MDSINE2, per prevedere il comportamento e le dinamiche di centinaia di microbi contemporaneamente, un passo avanti significativo rispetto a ciò che le attuali tecnologie possono fare. Per un altro progetto, Gerbeer ed i suoi collaboratori hanno sviluppato un algoritmo chiamato MITRE, che consente loro di osservare il microbioma nel tempo e prevedere, ad esempio, se qualcuno avrà o meno allergie alimentari.

Queste tecnologie non solo hanno implicazioni per la salute umana, ma possono anche aiutare gli scienziati a comprendere altri ecosistemi microbici. In futuro, i campioni dal suolo o dai bacini idrici potrebbero essere “interrogati” con i metodi molecolari di Wang e gli strumenti computazionali di Gerber. Questo potrebbe persino fornire indizi per comprendere batteri come E. Coli che non rimangono solo nell’intestino umano, ma circolano nell’ambiente, negli animali e nelle persone.

Oltre alla ricerca computazionale dedicata allo sviluppo tecnologico, il laboratorio di Gerber ha molti progetti attivi con applicazioni cliniche. Ha una serie di progetti relativi  all’infezione da C. difficile, in collaborazione con Bry che secondo lui portano ad una profonda comprensione della microbiologia microbica e dell’ospite e con Jessica Allegretti, assistente Professore di medicina dell’HMS, gastroenterologa e Direttrice del Crohn’s and Colitis Centro al Brigham and Women’s Hospital.

Fonte: HMS