In che modo l'industrializzazione modifica la nostra flora batterica intestinale

L’insieme dei batteri, dei virus e dei funghi presenti all’interno e sulla superficie di un organismo multicellulare costituisce il suo microbioma naturale. Le interazioni tra l’organismo e questi microrganismi influenzano in modo significativo le funzioni e la salute dell’ospite. Tra le altre cose, i ricercatori hanno dimostrato che il microbioma svolge un ruolo importante, ad esempio, nella difesa contro gli agenti patogeni. D’altra parte, sospettano che gli squilibri nella composizione del microbioma siano collegati allo sviluppo delle cosiddette malattie ambientali, come l’infiammazione cronica. Tuttavia, diverse questioni chiave nella ricerca sul microbioma rimangono senza risposta: ad esempio, cosa costituisce esattamente un microbioma sano, quali fattori interni ed esterni possono alterarlo e in che modo varia da persona a persona, specialmente tra individui con stili di vita e provenienze geografiche diverse?

Presso la Facoltà di Medicina dell’Università di Kiel e l’Ospedale Universitario dello Schleswig-Holstein (UKSH), Campus di Kiel, la professoressa Mathilde Poyet dell’Istituto di Medicina Sperimentale (IEM) e il professor Mathieu Groussin dell’Istituto di Biologia Molecolare Clinica (IKMB) stanno lavorando su queste sfide insieme ai loro gruppi di ricerca. Partendo dall’ipotesi che i microbiomi differiscano a seconda dell’origine di un gruppo di popolazione, stanno studiando in particolare come la geografia, lo stile di vita e il grado di industrializzazione influenzino la colonizzazione microbica dell’intestino umano. Per affrontare queste questioni, dieci anni fa hanno fondato la Global Microbiome Conservancy (GMbC). Questa iniziativa scientifica globale si impegna, attraverso la raccolta di campioni microbici in tutto il mondo, a studiare e conservare l’intera diversità del microbioma intestinale umano.

I ricercatori di Kiel, che dirigono il Kiel Metaorganism Center (KMC) nell’ambito dell’area di ricerca prioritaria Kiel Life Science (KLS) dell’Università di Kiel e sono attivi anche nel Centro di Ricerca Collaborativa (CRC) 1182 «Origine e funzione dei metaorganismi», nonché nel Cluster di Eccellenza «Medicina di precisione nell’infiammazione cronica» (PMI), hanno pubblicato gli articoli congiunti in collaborazione con numerosi esperti internazionali. In queste pubblicazioni hanno analizzato sistematicamente fattori chiave quali la geografia, lo stile di vita, la dieta e la genetica come effetti cumulativi della civiltà sul microbioma umano e sui singoli batteri intestinali. In particolare, sono riusciti a dimostrare che l’industrializzazione e i cambiamenti dello stile di vita ad essa associati portano a un drastico impoverimento e a una forte omogeneizzazione della biodiversità del microbioma.

Inoltre, il gruppo di ricerca di Kiel ha potuto dimostrare che, oltre alle perturbazioni osservate a livello delle comunità microbiche, anche i singoli genomi microbici subiscono mutazioni in risposta al livello di industrializzazione dell’ospite. Ad esempio, uno stile di vita fortemente industrializzato comporta un aumento delle dimensioni dei genomi batterici, dovuto a un maggiore scambio genetico tra i microbi. Fatto unico, entrambi gli articoli, che includono contributi di colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e di numerose istituzioni partner internazionali dell’iniziativa GMbC, sono stati pubblicati oggi in parallelo sulla prestigiosa rivista *Cell*.

Un elevato grado di industrializzazione porta a una minore diversità e a una maggiore omogeneità


La colonizzazione microbica dell’intestino umano è soggetta a numerosi fattori endogeni ed esogeni. Alcuni di questi possono essere modificati solo indirettamente e nel lungo termine, come la genetica dell’ospite, mentre altri dipendono fortemente dallo stile di vita individuale. Negli studi attuali, i ricercatori hanno analizzato i dati provenienti dalla raccolta di campioni GMbC in relazione al grado di industrializzazione, tenendo conto anche dello stile di vita, della genetica microbica e della dieta come fattori che influenzano direttamente la composizione del microbioma. Secondo i ricercatori, sebbene tutte queste influenze interagiscano fortemente tra loro, contribuiscono anche individualmente alle variazioni del microbioma intestinale.

«Il risultato chiave delle nostre analisi è che il cosiddetto stile di vita industrializzato porta a comunità microbiche più omogenee e meno diversificate nel nostro intestino», sottolinea Groussin. «Ciò significa che due persone provenienti da Kiel, in Germania, e da Kuala Lumpur, in Malesia, presentano composizioni di specie batteriche molto simili, nonostante vivano in aree geografiche distanti e abbiano diete, background genetici e culture molto diversi».

I microbiomi industrializzati sono più facilmente soggetti a perturbazioni e associati a livelli elevati di marcatori di malattia


In una fase successiva, gli scienziati hanno indagato se le perturbazioni nella diversità e nella composizione associate all’industrializzazione potessero determinare cambiamenti nel modo in cui i batteri coesistono e interagiscono. Hanno scoperto che le reti di coesistenza dei batteri sono più concentrate attorno a un numero più ristretto di batteri, con livelli inferiori di riserve funzionali. «In definitiva, ciò significa che se la comunità viene perturbata e queste specie chiave vengono perse, non ci sarebbe alcun supporto funzionale fornito da altre specie della comunità per mantenere la produttività metabolica e la stabilità della comunità», sottolinea Poyet.

Inoltre, i ricercatori sono riusciti a rilevare livelli elevati dei cosiddetti marcatori infiammatori nei campioni prelevati da persone che vivono in società altamente industrializzate – ovvero specifiche firme molecolari associate alle risposte allo stress nell’intestino. Tra queste figurano, ad esempio, un’aumentata risposta immunitaria, in particolare nello strato mucoso dell’intestino, che i ricercatori interpretano come una reazione ai cambiamenti nella composizione del microbioma. «La presenza sia di marcatori infiammatori elevati sia di modelli distintivi nella risposta immunitaria suggerisce che un microbioma alterato da uno stile di vita industrializzato possa esercitare una forte influenza sulla fisiologia dell’ospite – e quindi potenzialmente contribuire allo sviluppo di malattie”, sottolinea il professor Philip Rosenstiel, direttore dell’Istituto di Biologia Molecolare Clinica e coautore del primo studio.

In futuro, i ricercatori di Kiel intendono indagare in dettaglio quali cambiamenti specifici possano rendere il microbioma plasmato dallo stile di vita industrializzato più facilmente soggetto a alterazioni, portando successivamente allo sviluppo di malattie o a una maggiore suscettibilità alle infezioni. A tal fine, la biobanca GMbC, con i suoi microbiomi conservati provenienti da tutto il mondo, fornisce loro una risorsa fondamentale che consente di condurre ulteriori indagini meccanicistiche all’interno dei rispettivi contesti geografici.

L’influenza dello stile di vita sui genomi batterici


Nel secondo studio, i ricercatori hanno confrontato 10 specie batteriche selezionate provenienti dai microbiomi di popolazioni non industrializzate e industrializzate, esaminandole alla ricerca di cambiamenti genetici che potessero essere collegati allo stile di vita. «In tutti i microrganismi analizzati, abbiamo osservato che uno stile di vita industrializzato porta a una maggiore dimensione del genoma e a una maggiore plasticità genomica. Ciò significa che il genoma subisce più cambiamenti, con, ad esempio, una maggiore frequenza di scambio genico tramite trasferimento genico orizzontale, il che può aiutare i batteri ad acquisire rapidamente nuove funzioni per adattarsi alle perturbazioni», afferma il dott. Malte Rühlemann, ricercatore post-dottorato del laboratorio Groussin. «Oltre ai trasferimenti genici, abbiamo riscontrato un’ampia diversità di mutazioni genomiche associate all’industrializzazione, comprese mutazioni individuali del DNA che modificano la sequenza e la funzione delle proteine coinvolte nella risposta allo stress e nella risposta metabolica all’ambiente», secondo Poyet.

In sintesi, con la loro nuova doppia pubblicazione, i ricercatori hanno presentato per la prima volta uno studio completo su come gli stili di vita industrializzati influenzino profondamente il complesso sistema del microbioma intestinale a diversi livelli dell’organizzazione, dalle comunità microbiche ai singoli genomi dei microbi. In futuro, mentre amplieranno la coorte GMbC includendo altri paesi di tutto il mondo, intendono indagare ulteriormente i meccanismi alla base delle perturbazioni del microbioma associate all’industrializzazione che potrebbero essere all’origine dell’aumento delle malattie croniche osservato a livello globale.