Per lo studio, pubblicato il 26 maggio in Cellula , investigatori internazionali hanno raccolto quasi 5, 000 campioni in un periodo di tre anni in 60 città in 32 paesi e sei continenti. I ricercatori hanno analizzato i campioni utilizzando una tecnica di sequenziamento genomico chiamata sequenziamento shotgun per rilevare la presenza di vari microbi, compresi i batteri, archaea (organismi unicellulari distinti dai batteri), e virus che utilizzano il DNA come materiale genetico. (Altri tipi di virus che utilizzano l'RNA come materiale genetico, come SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, non sarebbe stato rilevato con i metodi di analisi del DNA utilizzati in questo studio pre-pandemia.)
Questo campo di ricerca ha importanti implicazioni per rilevare focolai di infezioni sia note che sconosciute e per studiare la prevalenza di microbi resistenti agli antibiotici in diversi ambienti urbani.
"Ogni volta che ti siedi in metropolitana, probabilmente stai facendo il pendolare con una specie completamente nuova, " ha detto l'autore senior Dr. Christopher Mason, co-direttore della WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction e professore di fisiologia e biofisica presso Weill Cornell Medicine. Il Dr. Mason è anche co-fondatore e consulente retribuito di Biotia e Onegevity Health, e un oratore a pagamento per WorldQuant LLC.
L'attuale studio ha portato alla scoperta di 10, 928 virus e 748 batteri non presenti in nessun database di riferimento.
Il Dr. Mason ha fondato MetaSUB (abbreviazione di Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes) nel 2015, insieme al dottor Evan Afshin, che allora era uno studente universitario al Macaulay Honors College del Queens College e ora è un ricercatore clinico in fisiologia e biofisica presso Weill Cornell Medicine e consulente retribuito per Onegevity Health.
Lo studio appena pubblicato è stato condotto da Drs. Muratore, David Danko, uno studente di dottorato della Weill Cornell Graduate School nel laboratorio del Dr. Mason durante lo studio, e Daniela Bezdan, che era un ricercatore associato in biomedicina computazionale alla Weill Cornell Medicine a quel tempo.
Raccogliendo campioni di microbi e analizzando i loro geni, noti collettivamente come microbioma, i ricercatori sperano di saperne di più sui batteri, virus e altri microrganismi che vivono tra gli esseri umani. Per esempio, la ricerca può aiutare a identificare l'emergere di ceppi resistenti agli antibiotici.
Prevedere la resistenza agli antibiotici dalle sole sequenze genetiche è impegnativo, ma i ricercatori sono stati in grado di mappare alcuni geni noti per essere collegati alla resistenza, quantificare la loro abbondanza e confermare la capacità dei marcatori genetici di conferire resistenza. Hanno scoperto che alcune città avevano più geni di resistenza di altre, e che potrebbero esserci firme specifiche della città per alcuni di questi geni.
La resistenza antimicrobica rimane una delle principali sfide per la salute globale. "Mentre sono necessarie ulteriori ricerche, questo set di dati dimostra il valore e il potenziale per la mappatura e il monitoraggio del microbioma, e le intuizioni che può fornire ai medici, scienziati e funzionari della sanità pubblica, " ha detto il dottor Afshin.
Inoltre, conoscere le piccole molecole e le proteine prodotte dai microbi potrebbe anche portare alla scoperta di nuovi antibiotici e di altre molecole che hanno il potenziale per essere sviluppate come farmaci. Molti antibiotici e farmaci attualmente in uso derivano da fonti microbiche.
Le scoperte fatte su nuove specie microbiche potrebbero anche portare a nuovi strumenti e approcci di laboratorio, come nuovi modi per utilizzare lo strumento di editing molecolare noto come CRISPR. In questo studio, i ricercatori hanno trovato 838, 532 nuovi array CRISPR - frammenti di DNA virale trovati all'interno dei batteri - e 4,3 milioni di nuovi peptidi (piccole proteine).
A causa di questi sforzi di campionamento, Il dottor Mason ha detto che può prevedere con circa il 90% di precisione dove vive una persona, semplicemente sequenziando il DNA sulle loro scarpe. È stato scoperto che molti fattori influenzano il microbioma di una città, compresa la popolazione complessiva e la densità di popolazione, elevazione, vicinanza al mare e al clima. I risultati su queste firme distinte potrebbero consentire futuri studi forensi.
Un microbioma contiene echi molecolari del luogo in cui è stato raccolto. Un campione costiero può contenere microbi amanti del sale mentre un campione proveniente da una città densamente popolata può mostrare una sorprendente biodiversità, " ha detto il dottor Danko.
Dottor David Danko, Studente Sociale, Scuola di specializzazione Weill Cornell.
Dott. Mason e Afshin hanno iniziato a raccogliere e analizzare campioni microbici nel sistema della metropolitana di New York nel 2013. Dopo aver pubblicato i loro primi risultati, soprannominato PathoMap, sono stati contattati da ricercatori di tutto il mondo che volevano fare studi simili per le proprie città.
L'interesse internazionale ha ispirato il laboratorio del Dr. Mason a creare MetaSUB e ha reclutato Daniela Bezdan come direttore della ricerca. "Avevamo bisogno di protocolli accettati a livello internazionale, logistica e accordi di collaborazione con scienziati, venditori, uffici governativi e fondazioni filantropiche per potenzialmente 100 città in 20 paesi, " ha detto Bezdan.
Oggi MetaSUB continua a crescere e si è esteso alla raccolta di campioni di RNA e DNA dall'aria, acqua e fognature, oltre alle superfici dure. Ciò ha portato a una sovvenzione di $ 5 milioni per il sequenziamento delle acque reflue e il monitoraggio virale in tre stati (Florida, New York e Wisconsin), e che fa parte del nuovo National Wastewater Surveillance System (NWSS) del Centro per il controllo e la prevenzione delle malattie.
Il gruppo supervisiona anche progetti come il Global City Sampling Day (gCSD), che si tiene ogni anno il 21 giugno, e ha svolto studi ad ampio raggio tra cui un'analisi microbica completa di Rio de Janeiro prima, durante e dopo le Olimpiadi estive 2016. Molti dei campioni analizzati nel presente studio sono stati raccolti durante il Global City Sampling Day nel 2016 e 2017.
Lo sforzo di campionamento di New York City è stato condotto con il supporto del Weill Cornell Medicine Clinical and Translational Science Center (CTSC), in collaborazione con il responsabile senior del programma CTSC Jeff Zhu. Il dottor Mason ei suoi colleghi si stanno attualmente preparando per l'evento di quest'anno.
"Quando abbiamo iniziato nel 2015, il consorzio era composto da 16 città; sei anni dopo abbiamo più di 100 città. È bello avere questo gruppo di curiosi, co-investigatori intraprendenti ed entusiasti, " ha detto il dottor Mason, che è anche professore di genomica computazionale in biomedicina computazionale presso il HRH Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Al-Saud Institute for Computational Biomedicine presso Weill Cornell Medicine.
"Sebbene i campioni vengano raccolti in tutto il mondo, gran parte dell'analisi viene fatta proprio qui a New York City alla Weill Cornell Medicine, " ha affermato il dottor Mason. L'analisi e l'assemblaggio delle sequenze hanno anche sfruttato Bridges and Bridges-2, Supercomputer Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) presso il Pittsburgh Supercomputing Center.
I ricercatori di MetaSUB in Svizzera (dott. Andre Kahles e Gunnar Rätsch) hanno utilizzato questi assembly e dati grezzi per costruire un ricercabile, portale globale della sequenza del DNA (MetaGraph) che ha indicizzato tutte le sequenze genetiche conosciute (inclusi i dati MetaSUB). Il portale mappa tutti gli elementi genetici conosciuti o scoperti di recente nella loro posizione sulla Terra e può aiutare nella scoperta di nuove interazioni microbiche e funzioni presunte.
L'isolamento del DNA dai campioni è stato in gran parte eseguito con il supporto di Zymo Research e Promega, e sequenziato in collaborazione con il dottor Shawn Levy presso l'HudsonAlpha Institute for Biotechnology, Dr. Klas Udekwu dell'Università di Stoccolma e del New York Genome Center. Gli studi futuri e in corso esamineranno l'RNA e il DNA con letture lunghe e metodi di imaging spaziale, così come tracciare i metaboliti dai siti globali, e continuare ad aggiornare la mappa genetica su scala planetaria.
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