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I microbi intestinali arcaici possono fornire indizi sulle malattie moderne

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Boston – (12 maggio 2021) – Gli scienziati stanno rapidamente raccogliendo prove che le varianti dei nostri microbiomi intestinali e i gruppi di batteri e altri microbi nei nostri sistemi digestivi possono svolgere ruoli dannosi nel diabete e in altre malattie. Ora gli scienziati del Joslin Diabetes Center hanno trovato differenze significative tra i microbiomi intestinali delle antiche popolazioni nordamericane e i microbiomi moderni, fornendo nuovi indizi su come questi microbi si sono evoluti con diete diverse.

Gli scienziati hanno analizzato il DNA microbico trovato negli organismi arcaici umani (feci secche) provenienti da grotte insolitamente aride nello Utah e nel nord del Messico con livelli estremamente elevati di sequenze genetiche, afferma il ricercatore associato di Joslin Aleksandar Kostic, PhD, autore principale di natura Documento di presentazione.

Conducendo l’analisi del genoma su una scala più ampia e più profonda rispetto a precedenti studi su antichi microbi intestinali umani, lo studio è stato il primo a rivelare nuovi tipi di microbi nei campioni, afferma Kostik, che è anche assistente professore di microbiologia presso la Harvard Medical School.

In precedenti studi su bambini in Finlandia e Russia, Kostek e colleghi hanno dimostrato che i bambini nelle aree industrializzate, che avevano maggiori probabilità di sviluppare il diabete di tipo 1 rispetto a quelli che vivevano in aree non industriali, avevano anche un microbiota intestinale completamente diverso. “Siamo stati in grado di identificare microbi specifici e prodotti microbici che riteniamo abbiano ostacolato un’adeguata educazione immunitaria nelle prime fasi della vita”, afferma Kostek. “Questo porta successivamente ad un aumento del numero di casi non solo di diabete di tipo 1, ma anche di malattie autoimmuni e altre malattie allergiche”.

Quindi come sarebbe un microbioma umano sano prima degli effetti dell’industrializzazione? “Sono convinto che non si possa rispondere a questa domanda con nessuno che viva nell’era moderna”, dice Kostik, osservando che anche le tribù nelle aree più remote dell’Amazzonia stanno contraendo il Covid-19.

Stephen LeBlanc, un archeologo che in precedenza lavorava al Peabody Museum of Archaeology and Ethnology presso l’Università di Harvard, è venuto a Caustic con un’entusiasmante fonte alternativa: il DNA microbico trovato in antichi campioni umani raccolti da musei di ambienti aridi nel sud-ovest del Nord America.

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Kostic e la studentessa laureata Marsha Wibowo hanno accettato la sfida, confrontando infine il DNA di otto campioni antichi ben conservati di grotte asciutte (alcuni risalenti al I secolo d.C.) con il DNA di 789 campioni recenti. Poco più della metà dei campioni recenti proveniva da persone che seguono diete industriali “occidentali” e il resto da persone che consumano cibi non industriali (per lo più coltivati ​​all’interno delle proprie comunità).

Le differenze tra i gruppi di microbiomi erano sbalorditive. Ad esempio, il batterio noto come Treponema succinifaciens “non è in un singolo microbioma occidentale che abbiamo analizzato, ma è presente in ciascuno degli otto microbi antichi”, dice Kostic. Gli antichi microbiomi coincidono strettamente con i microbiomi moderni e non industriali.

Sorprendentemente, Wibowo ha scoperto che quasi il 40% delle antiche specie microbiche non era mai stato visto prima. Cosa potrebbe spiegare questa elevata variazione genetica?

“Nelle culture antiche, i cibi che mangi sono molto diversi e possono supportare una gamma selettiva di microbi”, ipotizza Kostek. “Ma man mano che progredisci verso l’industrializzazione e la dieta alimentare, stai perdendo molti dei nutrienti che aiutano a supportare un microbioma più diversificato”.

I microbiomi arcaici avevano anche un numero relativamente più alto di microbiomi industriali moderni rispetto alla trasposizione (elementi trasportabili di sequenze di DNA che possono alterare la posizione nel genoma).

“Pensiamo che questa potrebbe essere una strategia per i microbi per adattarsi in un ambiente che cambia notevolmente dal moderno microbioma industriale, dove mangiamo le stesse cose e viviamo la stessa vita quasi tutto l’anno”, dice Kostic. “Considerando che in un ambiente più tradizionale, le cose cambiano ei microbi devono adattarsi. Potrebbero usare questo gruppo più ampio di trasposoni per suscitare e sintetizzare geni che li aiuteranno ad adattarsi a diversi ambienti”.

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Inoltre, gli antichi gruppi microbici includevano meno geni associati alla resistenza agli antibiotici. I campioni più vecchi includevano anche un minor numero di geni che producono proteine ​​che degradano lo strato di muco intestinale, che può quindi produrre infiammazioni associate a varie malattie.

Inoltre, il lavoro potrebbe far luce sul dibattito scientifico sul fatto che i gruppi di microbi intestinali passino verticalmente di generazione in generazione di esseri umani o si evolvano principalmente dagli ambienti circostanti.

Osservando il comune ceppo ancestrale Methanobrevibacter smithii in antichi esemplari, hanno scoperto che la sua evoluzione era coerente con un lignaggio ancestrale comune datato all’incirca quando gli umani migrarono per la prima volta attraverso lo Stretto di Bering verso il Nord America. “Questi microbi, proprio come i nostri genomi, hanno viaggiato con noi”, afferma Kostik.

Il progetto di ricerca è iniziato con la necessità di identificare antichi esemplari umani incontaminati che erano conservati in condizioni insolitamente buone. “Quando abbiamo ricostruito questi genomi, abbiamo cercato di essere molto conservatori”, dice Weibow.

Oltre alla datazione al carbonio-14, gli scienziati hanno utilizzato analisi nutrizionali e altri metodi per verificare che i campioni selezionati fossero effettivamente umani e non contaminati dal suolo o da altri animali come i cani, dice. I ricercatori hanno anche confermato che i campioni selezionati hanno mostrato modelli di degradazione in cui è noto che tutto il DNA si manifesta nel tempo.

Il team ha eseguito sequenze di DNA molto più profonde di quelle ottenute negli sforzi precedenti, almeno 100 milioni di letture, con 400 milioni di letture di DNA per un singolo campione.

Uno dei nostri collaboratori, l’antropologa Meredith Snow, che ha conseguito un dottorato di ricerca presso l’Università del Montana a Missoula, ha guidato un’iniziativa per ottenere prospettive sul lavoro dalle comunità indigene americane nel territorio del sud-ovest. Lo studio conferma: “Apprezziamo e apprezziamo quegli individui i cui geni e microbi sono stati analizzati per questa ricerca, così come gli individui attuali che sono associati al patrimonio genetico o culturale”.

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I ricercatori hanno in programma di espandere i loro studi a molti altri campioni di microbiomi antichi, con l’obiettivo di scoprire nuove specie microbiche e cercare di prevedere le loro funzioni metaboliche. L’interesse di Kostic solleva la possibilità di far rivivere questi antichi microbi in laboratorio, introducendo genomi antichi nelle prime specie batteriche viventi. “Se possiamo coltivarli in laboratorio, possiamo capire molto meglio la fisiologia di questi microbi”, dice.

LeBlanc ha aiutato gli investigatori di Joslin a raccogliere collaboratori, che alla fine sono stati reclutati da dozzine di organizzazioni. Tra i contributi principali, la dott.ssa Snow del Montana ha guidato l’estrazione e la preparazione del DNA antico e Christina Wariner dell’Università di Harvard, ha fornito la sua esperienza nell’antico microbioma umano. “È stato fantastico imparare da tutti questi fantastici collaboratori”, afferma Weibowo. “Ha davvero bisogno di un villaggio.”

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Il documento è stato scritto in collaborazione con Zain Yang di Jocelyn e Braden Tierney, Samuel Zimmerman e Jacob Luber. Così è stato Maxime Puri e Alexander Huebner del Max Planck Institute. Kun Huang, Omar Rota Stabili e Nicola Sigata dell’Università di Trento; Francisco Barajas Olmos, Cecilia Contreras-Cubas, Umberto Garcia-Ortiz, Angelica Martinez-Hernandez e Lorena Orozco dell’Istituto nazionale messicano di medicina genomica; Philip Kirstahler e Soni Joanna Bump della Technical University of Denmark; Trey Bloom dell’Università del Montana; Francis Smiley della Northern Arizona University; Richard Arnold del Bahrump Bayot e del Gruppo unito di tribù e organizzazioni; Sonya Palal del Boston Children’s Hospital; Julia Ross e Karl Reinhard dell’Università del Nebraska a Lincoln; E Frank Meixner dell’Istituto per gli studi sulle mummie in Italia.

Il supporto principale è venuto dall’American Diabetes Association, dalla Smith Family Foundation e dall’American Heart Association.

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