Gli scienziati trovano differenze drammatiche tra i microbiomi intestinali antichi e i microbi moderni

Gli scienziati stanno rapidamente raccogliendo prove che le varianti dei microbiomi intestinali, le raccolte di batteri e altri microbi nel nostro apparato digerente, possono svolgere ruoli dannosi nel diabete e in altre malattie. Ora gli scienziati del Joslin Diabetes Center hanno trovato differenze drammatiche tra i microbiomi intestinali degli antichi popoli nordamericani e i microbiomi moderni, offrendo nuove prove su come questi microbi possono evolversi con diete diverse.

Gli scienziati hanno analizzato il DNA microbico trovato nelle paleofeci umane indigene (escrementi essiccati) provenienti da grotte insolitamente secche nello Utah e nel Messico settentrionale con livelli estremamente elevati di sequenziamento genomico, afferma l'assistente investigativo di Joslin Aleksandar Kostic, dottorato di ricerca, autore senior di a Natura carta di presentazione del lavoro.

Eseguire analisi genomiche in modo più ampio e approfondito rispetto a studi precedenti su antichi microbiomi intestinali umani, lo studio è stato il primo a rivelare nuove specie di microbi nei campioni, dice Kostic, che è anche assistente professore di microbiologia presso la Harvard Medical School.

In precedenti studi su bambini in Finlandia e Russia, Kostic e i suoi colleghi hanno dimostrato che i bambini nelle regioni industrializzate, che avevano molte più probabilità di sviluppare il diabete di tipo 1 rispetto a quelli nelle aree non industrializzate, aveva anche microbiomi intestinali molto diversi.

Siamo stati in grado di identificare microbi specifici e prodotti microbici che riteniamo abbiano ostacolato una corretta educazione immunitaria nei primi anni di vita, E questo porta in seguito a maggiori incidenti non solo di diabete di tipo 1, ma altre malattie autoimmuni e allergiche".

Aleksandar Kostic, dottorato di ricerca, Autore Senior

Quindi come sarebbe un microbioma umano sano prima degli effetti dell'industrializzazione? "Sono convinto che non si possa rispondere a questa domanda con nessuna persona moderna, "dice Kostic, il quale sottolinea che anche le tribù in regioni estremamente remote dell'Amazzonia stanno contraendo Covid-19.

Steven LeBlanc, un archeologo precedentemente con il Peabody Museum of Archaeology and Ethnology di Harvard, è arrivato a Kostic con una straordinaria fonte alternativa:DNA microbico trovato in campioni di paleofeci umane che i musei hanno raccolto da ambienti aridi nel sud-ovest del Nord America.

Kostic e la studentessa Marsha Wibowo hanno accettato la sfida, infine confrontando il DNA di otto campioni di intestino antico eccezionalmente ben conservati provenienti da grotte secche (alcuni risalenti al primo secolo dell'era attuale) con il DNA di 789 campioni moderni. Poco più della metà dei campioni moderni proveniva da persone che seguivano diete "occidentali" industrializzate e il resto da persone che consumavano cibi non industrializzati (coltivati ​​principalmente all'interno delle proprie comunità).

Le differenze tra le popolazioni di microbiomi erano sorprendenti. Ad esempio, un batterio noto come Treponema succinifaciens "non si trova in un singolo microbioma occidentale che abbiamo analizzato, ma è in ognuno degli otto antichi microbiomi, " Dice Kostic. Gli antichi microbiomi corrispondevano più da vicino ai moderni microbiomi 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 variabilità genetica?

"Nelle culture antiche, i cibi che stai mangiando sono molto diversi e possono supportare una collezione più eclettica di microbi, " Kostic ipotizza. "Ma mentre ti muovi verso l'industrializzazione e più di una dieta da drogheria, perdi molti nutrienti che aiutano a supportare un microbioma più diversificato".

Gli antichi microbiomi avevano anche numeri relativamente più alti rispetto ai moderni microbiomi industriali di trasposasi (elementi trasponibili di sequenze di DNA che possono cambiare posizione nel genoma).

"Pensiamo che questa potrebbe essere una strategia per i microbi per adattarsi in un ambiente che cambia molto più del moderno microbioma industrializzato, dove mangiamo le stesse cose e viviamo la stessa vita più o meno tutto l'anno, " dice Kostic. "Mentre in un ambiente più tradizionale, le cose cambiano e i microbi devono adattarsi. Potrebbero usare questa raccolta molto più ampia di trasposasi per catturare e raccogliere geni che li aiuteranno ad adattarsi ai diversi ambienti".

Inoltre, le antiche popolazioni microbiche incorporavano meno geni legati alla resistenza agli antibiotici. Gli antichi campioni presentavano anche un numero inferiore di geni che producono proteine ​​che degradano lo strato di muco intestinale, che poi può produrre infiammazione che è collegata a varie malattie.

Inoltre, il lavoro potrebbe far luce su una controversia scientifica sul fatto che le popolazioni di microbi intestinali vengano trasmesse verticalmente di generazione in generazione di esseri umani, o si evolvono principalmente dagli ambienti circostanti.

Guardando il lignaggio dei batteri comuni Methanobrevibacter smithii nei campioni antichi, hanno scoperto che la sua evoluzione era coerente con un ceppo ancestrale condiviso che è stato datato approssimativamente a quando gli umani migrarono per la prima volta attraverso lo Stretto di Bering nel Nord America. "Questi microbi, proprio come i nostri genomi, hanno viaggiato con noi, " dice Kostic.

Il progetto di ricerca è iniziato con la necessità di identificare campioni di paleofeci umane incontaminate che sono state conservate in condizioni insolitamente buone. "Quando abbiamo ricostruito questi genomi, abbiamo cercato di essere molto conservatori, " dice Wibowo.

Oltre alla datazione al carbonio-14, gli scienziati hanno utilizzato analisi dietetiche e altri metodi per convalidare che i campioni selezionati fossero effettivamente umani e non contaminati dal suolo o da altri animali come i cani, lei dice. I ricercatori hanno anche confermato che i campioni scelti mostravano i modelli di decadimento che tutto il DNA è noto esibire nel tempo.

Il team ha eseguito un sequenziamento del DNA molto più profondo di quanto ottenuto negli sforzi precedenti, almeno 100 milioni di letture, con 400 milioni di letture di DNA per un campione.

Un collaboratore, l'antropologa Meradeth Snow, dottorato di ricerca, dell'Università del Montana a Missoula, ha condotto un'iniziativa per ottenere prospettive sul lavoro delle comunità indigene dei nativi americani nella regione del sud-ovest. "Riconosciamo e apprezziamo quegli individui la cui genetica e microbi sono stati analizzati per questa ricerca, così come gli individui attuali con un patrimonio genetico o culturale associato, " sottolinea lo studio.

I ricercatori hanno in programma di espandere i loro studi a molti altri antichi campioni di microbioma, con l'obiettivo di rilevare nuove specie microbiche e cercare di prevederne le funzioni metaboliche. Kostic è incuriosito dalla possibilità di resuscitare questi antichi microbi in laboratorio, inserendo antichi genomi nelle specie batteriche viventi più vicine. "Se riusciamo a farli crescere in laboratorio, possiamo capire molto la fisiologia di questi microbi, molto meglio, " lui dice.

LeBlanc ha aiutato gli investigatori di Joslin a raccogliere collaboratori, alla fine reclutati da una dozzina di istituzioni. Tra i contributi chiave, Il Dr. Snow del Montana ha guidato l'estrazione e la preparazione dell'antico DNA, e Christina Warinner di Harvard, dottorato di ricerca, ha offerto la sua esperienza sull'antico microbioma umano. "È stato fantastico imparare da tutti questi brillanti collaboratori, " dice Wibowo. "Ci vuole davvero un villaggio."

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