Studio:le interazioni dei microbi nel sistema gastrointestinale hanno grandi effetti sulla salute

Le interazioni che avvengono tra le specie di microbi che vivono nel sistema gastrointestinale hanno spesso effetti ampi e imprevisti sulla salute, secondo il nuovo lavoro di un team guidato da Will Ludington di Carnegie. I loro risultati sono pubblicati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il microbioma intestinale è un ecosistema di centinaia o migliaia di specie microbiche che vivono all'interno del corpo umano. La pura diversità all'interno dell'intestino umano rappresenta una sfida per la catalogazione e la comprensione dell'effetto che queste comunità hanno sulla nostra salute.

I biologi sono particolarmente interessati a determinare se il microbioma nel suo insieme è maggiore o meno della somma delle sue parti. In altre parole, in che misura le singole specie influenzano la nostra salute e la nostra fisiologia, e fino a che punto questi impatti sono determinati dalle interazioni tra le specie presenti nei nostri microbiomi?

Ludington e il suo team, compresi i biologi molecolari Alison Gould, Vivian Zhang, e Benjamin Obadia dell'Università della California Berkeley; i fisici Eric Jones e Jean Carlson della University of California Santa Barbara; e i matematici Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, e Niko Beerenwinkel dell'ETH di Zurigo e Alex Gavryushkin dell'Università di Otago hanno utilizzato il microbioma naturalmente semplice dei moscerini della frutta per rivelare in modo completo l'ecosistema intestinale. Il team ha scoperto che le interazioni tra le specie nel microbioma intestinale influiscono sulla salute delle mosche e persino sulla longevità.

"Il modo classico in cui pensiamo alle specie batteriche è in un contesto in bianco e nero come agenti di malattia - o lo hai, o non lo fai, " 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".

È noto da tempo dagli studi sui moscerini della frutta che le popolazioni di batteri intestinali possono influenzare lo sviluppo del loro ospite, fertilità, e longevità. Nel 1927, Helen Steinfeld dell'UC Berkeley ha scoperto che semplicemente rimuovendo i batteri intestinali dai moscerini della frutta del suo laboratorio, poteva prolungare la durata della loro vita del 14%.

Il team di Ludington ha ripetuto l'esperimento e ha trovato un'estensione della durata della vita simile del 23% quando hanno rimosso i microbiomi particolari delle loro mosche. Ma non era chiaro per loro quanto di questa influenza fosse dovuta alle singole specie presenti e quanto fosse dovuto alla loro ecologia microbica complessiva.

Ludington e il suo team hanno sviluppato il lavoro di Steinfeld per sezionare il microbioma intestinale del moscerino della frutta e comprendere meglio come questi microrganismi modellano la vita dei loro ospiti di insetti.

Hanno sviluppato un sistema per mappare tutte le possibili interazioni tra le cinque specie di batteri presenti nell'intestino delle mosche per vedere come hanno influenzato lo sviluppo di un insetto, produzione di prole, e durata della vita, che si combinano per determinarne l'idoneità. L'analisi delle interazioni ha richiesto lo sviluppo di nuovi approcci matematici, che si basano sulla geometria di un cubo a cinque dimensioni, dove ogni specie è una nuova dimensione.

Il team ha scoperto che le interazioni che avvengono tra le popolazioni microbiche sono importanti per la fisiologia della mosca quanto le singole specie presenti. In termini di variazione del 23% della durata della vita, le singole specie possono rappresentare solo un quarto dell'effetto, mentre le interazioni fanno il resto. Queste interazioni sono molto influenti per alcuni, ma non tutto, dei fattori che determinano la probabilità di una mosca di trasmettere il suo materiale genetico a una nuova generazione.

"Mentre esaminavamo il totale di ciò che chiamiamo forma fisica 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, " Ludington ha spiegato. "Questo compromesso è stato mediato dalle interazioni del microbioma. Ciò significa che se vogliamo capire come il microbioma influisce sulla nostra salute, dobbiamo sviluppare una comprensione predittiva di come le combinazioni di batteri influenzano l'ospite, non solo la singola specie."

Inoltre, gli strumenti di misurazione e analisi sviluppati per questo progetto di ricerca dimostrano che il moscerino della frutta è un buon modello per comprendere le interazioni più complesse del microbioma nell'uomo e in altri animali, che sarà importante per il lavoro futuro.

• Un nuovo metodo potrebbe portare a una migliore comprensione delle complesse interazioni tra i microbi intestinali umani
• L'etnia può essere un indicatore affidabile della diversità del microbiota intestinale