I ricercatori costruiscono il più complesso e completo microbioma sintetico

Studi fondamentali condotti nell’ultimo decennio hanno dimostrato che il microbioma intestinale, l’insieme di centinaia di specie batteriche che vivono nell’apparato digerente umano, influenza lo sviluppo neurale, la risposta alle immunoterapie contro il cancro e altri aspetti della salute. Ma queste comunità sono complesse e, in assenza di metodi sistematici per studiarne i costituenti, le cellule e le molecole esatte collegate a determinate malattie rimangono un mistero.

I ricercatori dell’Università di Stanford hanno costruito il microbioma sintetico più complesso e ben definito, creando una comunità di oltre 100 specie batteriche che è stata trapiantata con successo nei topi. La possibilità di aggiungere, rimuovere e modificare singole specie consentirà agli scienziati di comprendere meglio i legami tra il microbioma e la salute e, infine, di sviluppare terapie del microbioma di prim’ordine.

Molti studi chiave sul microbioma sono stati condotti utilizzando trapianti fecali, che introducono l’intero microbioma naturale da un organismo all’altro. Mentre gli scienziati sono soliti silenziare un gene o rimuovere una proteina da una cellula specifica o addirittura da un intero topo, non esistono strumenti simili per rimuovere o modificare una specie tra le centinaia presenti in un determinato campione fecale.

“Gran parte di ciò che sappiamo sulla biologia non lo sapremmo se non fosse per la capacità di manipolare sistemi biologici complessi in modo frammentario”, ha dichiarato Michael Fischbach, borsista dell’Istituto Sarafan ChEM-H e autore corrispondente dello studio, pubblicato su Cell il 6 settembre.

Fischbach, che è professore associato di bioingegneria e di microbiologia e immunologia, e altri hanno visto una soluzione: Costruire un microbioma da zero coltivando individualmente e poi mescolando i batteri che lo compongono.

Costruire l’arca

Ogni cellula del microbioma occupa una nicchia funzionale specifica, eseguendo reazioni che scompongono e costruiscono molecole. Per costruire un microbioma, il team ha dovuto garantire che la miscela finale fosse non solo stabile, mantenendo un equilibrio senza che una singola specie prevalesse sulle altre, ma anche funzionale, svolgendo tutte le azioni di un microbioma naturale completo. La selezione delle specie da includere nella comunità sintetica è stata difficile anche per la naturale variazione tra gli individui: due persone scelte a caso condividono meno della metà dei loro geni microbici.

I ricercatori hanno deciso di costruire la loro colonia a partire dai batteri più diffusi e si sono rivolti allo Human Microbiome Project (HMP), un’iniziativa del National Institutes of Health volta a sequenziare i genomi microbici completi di oltre 300 adulti.

“Stavamo cercando l’Arca di Noè delle specie batteriche nell’intestino umano, cercando di trovare quelle che erano quasi sempre presenti in ogni individuo”, ha detto Fischbach.

Hanno selezionato oltre 100 ceppi batterici che erano presenti in almeno il 20% degli individui HMP. Aggiungendo alcune specie necessarie per alcuni studi successivi, hanno raggiunto 104 specie, che hanno coltivato in stock individuali e poi mescolato in una coltura combinata per creare quella che hanno chiamato comunità umana uno, o hCom1.

Pur essendo soddisfatti che i ceppi potessero coesistere in laboratorio, la vera prova era se la loro nuova colonia avrebbe attecchito nell’intestino. Hanno introdotto hCom1 in topi accuratamente progettati per non avere batteri. hCom1 si è rivelato straordinariamente stabile: il 98% delle specie costituenti ha colonizzato l’intestino di questi topi privi di germi e i livelli di abbondanza relativa di ciascuna specie sono rimasti costanti per due mesi.

Invasione estranea

Per rendere la loro colonia più completa, i ricercatori volevano assicurarsi che tutte le funzioni vitali del microbioma fossero svolte da una o più specie. Si sono affidati a una teoria chiamata resistenza alla colonizzazione, che spiega che qualsiasi batterio, quando viene introdotto in una colonia esistente, sopravvive solo se riesce a riempire una nicchia non ancora occupata.

Introducendo un microbioma completo, sotto forma di campione fecale umano, nella loro colonia e seguendo tutte le nuove specie che si insediano, hanno potuto costruire una comunità più completa.

Alcuni erano scettici sul fatto che avrebbe funzionato. “Le specie batteriche in hCom1 hanno vissuto insieme solo per poche settimane”, ha detto Fischbach. “Stavamo introducendo una comunità che aveva convissuto per un decennio. Alcuni pensavano che avrebbero decimato la nostra colonia”.

È sorprendente che l’hCom1 abbia resistito e che solo il 10% circa delle cellule della comunità finale provenisse dal trapianto fecale.

Hanno trovato oltre 20 nuove specie batteriche che si sono inserite in almeno due dei tre studi sul trapianto fecale. Aggiungendole alla comunità iniziale e rimuovendo quelle che non sono riuscite ad attecchire nell’intestino dei topi, hanno ottenuto una nuova comunità di 119 ceppi, denominata hCom2. Questa seconda iterazione, ottenuta sempre coltivando e mescolando individualmente i costituenti, ha reso i topi ancora più resistenti alle sfide fecali rispetto alla prima.

Sfida finale

Per dimostrare l’utilità del microbioma sintetico, il team ha preso topi colonizzati con hCom2 e li ha sfidati con un campione di E. coli. Questi topi, come quelli colonizzati con un microbioma naturale, hanno resistito all’infezione.

Studi precedenti hanno dimostrato che un microbioma naturale sano porta alla protezione, ma Fischbach e colleghi potrebbero fare un ulteriore passo avanti eliminando o modificando iterativamente alcuni ceppi per determinare quali conferiscono una protezione specifica. Hanno trovato diversi batteri chiave e intendono condurre ulteriori studi per restringere il campo alle specie più critiche.

Fischbach ritiene che hCom2, o le sue versioni future, consentiranno studi riduzionistici simili che riveleranno gli agenti batterici coinvolti in altre aree, come le risposte all’immunoterapia.

“Abbiamo costruito questo consorzio per la comunità di ricerca più ampia. Vogliamo che questo strumento arrivi al maggior numero di persone possibile per avere un impatto sul settore”, ha detto Fischbach.

Egli prevede anche che questo metodo di costruzione di un microbioma dalle fondamenta renderà possibile in futuro terapie basate su microbiomi ingegnerizzati. In qualità di direttore della Stanford Microbiome Therapies Initiative (MITI), un’iniziativa lanciata nel 2019 dal Sarafan ChEM-H e dal Dipartimento di Bioingegneria, Fischbach mira a costruire comunità ingegnerizzate che un giorno potrebbero essere trapiantate nelle persone per trattare o prevenire una serie di malattie.

Il lavoro è stato sostenuto da una Dean’s Postdoctoral Fellowship, dal National Institutes of Health, dallo Human Frontier Science Research Program, dalla Astellas Foundation for Research on Metabolic Disorders, dalla Stanford Microbiome Therapies Initiative, dalla National Science Foundation, dalla Bill and Melinda Gates Foundation, dalla Helmsley Foundation, dall’Howard Hughes Medical Institute, dalla Leducq Foundation, dallo Stanford-Coulter Translational Research Grants Program, dalla MAC3 Impact Philanthropies e dall’Allen Discovery Center at Stanford on Systems Modeling of Infection.