Un nuovo metodo potrebbe portare a una migliore comprensione delle complesse interazioni tra i microbi intestinali umani

Il microbioma intestinale, il mondo dei microbi che abitano il tratto intestinale umano, ha catturato l'interesse di scienziati e medici per il suo ruolo fondamentale nella salute. Però, analizzare quali di questi microbi sono responsabili degli effetti sul nostro benessere rimane un mistero.

Avvicinandoci un passo alla soluzione di questo enigma, 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.

Il loro ritrovamento appare nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Soprattutto negli ultimi 20 anni circa, gli scienziati hanno scoperto che il microbioma interagisce con il resto del corpo, con il tuo sistema immunitario, con il tuo cervello, " ha detto Jones, uno studente laureato ricercatore nel laboratorio di Carlson. "Molte malattie sono associate a determinate composizioni microbiche nell'intestino".

Il microbioma intestinale umano è ancora troppo vario per essere analizzato completamente. Anziché, il gruppo di ricerca, guidato dal biologo della Carnegie Institution for Science Will Ludington, ha usato il moscerino della frutta come organismo modello per svelare come la presenza di particolari batteri intestinali potesse portare a effetti fisici e comportamentali nell'organismo ospite.

Nella loro carta, "Le interazioni del microbioma modellano la forma fisica dell'ospite, "Carlson, Jones, Ludington e colleghi esaminano le interazioni tra cinque specie principali di batteri presenti nell'intestino delle mosche, e calcolare come la presenza o l'assenza di singole specie influenza gli aspetti dell'idoneità della mosca, compresa la 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 ce l'hai, " Ludington ha detto. "Il nostro lavoro mostra che non è il caso per il microbioma. Gli effetti di una particolare specie dipendono dal contesto in cui sono presenti anche altre specie".

Basandosi su ricerche precedenti che hanno scoperto che la presenza rispetto all'assenza di batteri influenzava la longevità di un organismo (gli ospiti sterili vivevano più a lungo), il lavoro dei ricercatori su questo progetto ha rivelato che la situazione è molto più sfumata. Per esempio, la presenza di alcuni batteri potrebbe aumentare la fecondità dell'ospite, mentre altri potrebbero diminuire la longevità. "Mentre abbiamo esaminato il totale di ciò che chiamiamo idoneità di una mosca - è la possibilità di sopravvivere e creare prole - abbiamo scoperto che c'era un compromesso tra avere una vita breve con molta prole, contro avere una vita lunga con pochi figli, " Ha spiegato Ludington. "Questo compromesso è stato mediato dalle interazioni del microbioma".

Per decifrare queste interazioni, Ludington ha eseguito un test combinatorio, allevando 32 lotti di mosche, ciascuno abitato da una combinazione unica dei cinque batteri. Per ogni combinazione batterica, Ludington misurò lo sviluppo della mosca, fecondità e longevità. L'analisi delle interazioni ha richiesto a Carlson e Jones di sviluppare nuovi approcci matematici.

"Un modello che spesso sarebbe un punto di partenza sarebbe 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 rigorosamente a coppie non cattura tutti i tratti osservati della mosca".

Cosa mostra lo studio, i ricercatori hanno detto, è che le interazioni tra le popolazioni batteriche sono significative per l'idoneità complessiva dell'ospite quanto la loro presenza:l'influenza del microbioma non può essere attribuita esclusivamente alla presenza o all'assenza di singole specie. "In un senso, " ha detto Jones, "l'influenza del microbioma sull'ospite è più della somma delle sue parti".

I modelli appena sviluppati potrebbero essere estesi per comprendere meglio le interazioni delle migliaia di diverse specie di batteri nel microbioma umano, che potrebbe, a sua volta, far luce sulle numerose connessioni con le malattie associate al microbioma, compresi i disturbi dell'umore, disfunzioni neurologiche, malattie autoimmuni e superbatteri resistenti agli antibiotici.

"In molti casi le infezioni sono causate da batteri che tutti noi abbiamo sempre in noi stessi, e sono tenuti sotto controllo da batteri intestinali nativi, " ha detto Carlson. Non è tanto che l'infezione sia una novità, batteri orribili, lei spiegò, ma che le popolazioni di altri batteri sono cambiate, con conseguente crescita illimitata per i batteri infettivi.

"Si tratta davvero di comprendere le dinamiche demografiche di questi sistemi, " lei disse.

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