La lezione introduce il microbiota e la disciplina che ne rende possibile lo studio: la metagenomica. Il filo conduttore è la medicina di precisione, intesa come approccio che parte dalla persona e vi ritorna, integrando più livelli di informazione (genoma, microbioma, epigenoma, ambiente e stile di vita) per costruire strategie su misura. La tesi centrale è che il nostro "genotipo" non coincide solo con il DNA delle nostre cellule: comprende anche il patrimonio genetico dei microrganismi che vivono in simbiosi con noi, tanto da farci parlare di super-organismo. La metagenomica permette di sequenziare il DNA totale estratto da un campione ambientale (per esempio le feci) e di ricostruire chi vive lì dentro e in quali proporzioni. Il microbiota intestinale emerge come il più rilevante per la salute: influenza infiammazione, peso corporeo, recupero sportivo, umore e asse intestino-cervello, ed è modificabile — con resistenza e nell'arco di mesi — attraverso dieta, probiotici, prebiotici e stile di vita.
Il titolo mette in relazione tre parole di grande attualità: microbiota, sport e stile di vita. Lo sport è uno degli aspetti dello stile di vita, ma la relazione tra attività fisica e microbiota intestinale è oggi uno degli argomenti di studio più battuti e con maggiori margini di lavoro. L'obiettivo dichiarato non è però fermarsi al microbiota: è cominciare a parlare di metagenomica, la disciplina che sta alla base dello studio dei microbioti e che molti, pur occupandosi di microbiota, non conoscono.
Il termine "meta" è greco e significa "che viene prima di" (come nella metafisica). La metagenomica, tuttavia, non è genomica "precedente": è legata a tecniche specifiche che studiano — attraverso il sequenziamento del codice genetico — non singoli individui ma vere e proprie comunità di organismi. Questa è la differenza sostanziale rispetto alla genomica classica.
Tutta la lezione ha come filo conduttore la medicina di precisione. Il punto di partenza e di arrivo è sempre la persona: si parte dall'individuo per individuarne problematiche, obiettivi e caratteristiche, e si ritorna alla persona quando si progettano strategie, dalla semplice variazione dello stile di vita fino a piani funzionali personalizzati e trattamenti più strutturati.
La definizione citata è quella della Fondazione Regionale per la Ricerca Biomedica: la medicina di precisione è lo studio delle caratteristiche genotipiche e fenotipiche di ogni singolo individuo, con lo scopo di integrare tra loro tali informazioni, conferendo caratteristiche uniche a patologie complesse che possono così essere diagnosticate e curate in maniera efficiente, con un chiaro impatto sia dal punto di vista medico sia socioeconomico. Il docente sottolinea tre elementi: il carattere multidisciplinare dell'approccio (non solo medicina, ma nutrizione, fisioterapia e altre discipline del benessere), l'obiettivo di integrare più livelli di informazione, e l'impatto socioeconomico legato al risparmio per la sanità pubblica.
Un punto cruciale: quando si parla di caratteristiche genotipiche non ci si riferisce solo al nostro genoma e ai nostri geni, ma anche a tutti i microrganismi che vivono in simbiosi con noi e ai loro geni — cioè al microbioma.
Il fenotipo è la risultante dell'interazione tra quattro livelli:
Il fenotipo è paragonato alla pelle: è ciò che appare all'esterno, la risultante visibile di tutta questa dinamica interna.
La medicina di precisione è un approccio strategico in cui il bio hacking è un elemento imprescindibile, perché riguarda la misurazione oggettiva e scientifica dei dati. Bisogna superare la figura del taumaturgo, dello stregone o dello sciamano — di chi "ti guarda e capisce" — per utilizzare strumenti e tecnologie che misurano parametri oggettivi. Non si potrebbe parlare di bio hacking senza gli strumenti tecnologici che oggi permettono di misurare i parametri biometrici.
La metafora è quella della sartoria contro il prêt-à-porter: per fare un vestito su misura servono ago, filo e metro; in metagenomica servono strumentazione e procedure specifiche di questo settore. L'obiettivo è entrare in profondità e misurare con precisione ogni singolo carattere.
Il docente mette in parallelo caratteri genetici e metagenomici lungo due assi:
Per lo studio della genetica lo strumento d'elezione è il microarray, che sfrutta una tecnica di ibridazione ad altissima riproducibilità e, grazie alle nanotecnologie, permette di sequenziare grandi numeri di mutazioni del DNA.
Per la metagenomica si lavora quasi esclusivamente con il sequenziamento (sequencing). Queste tecnologie sono dette NGS (Next Generation Sequencing): hanno permesso di ottenere genomi interi di individui e specie in tempi rapidissimi. La prima bozza del genoma umano ha richiesto anni; oggi lo stesso lavoro si fa in ore — esempio luminoso della crescita esponenziale della tecnologia.
La metagenomica è l'analisi diretta del DNA totale estratto da un campione ambientale. Questa analisi ha lo scopo di definire i genomi di tutti gli abitanti microbici di un certo ecosistema specifico e definito, e anche di descriverne le funzioni potenziali. Nasce quindi come sequenziamento di tutto il DNA estratto da un campione ambientale — non da un individuo singolo, ma da un ambiente, che può essere anche l'interno di un organo. Nel caso del microbiota intestinale, l'ambiente è un campione di feci, cioè materiale che ha attraversato l'apparato gastrointestinale ma che resta comunque un campione ambientale.
La metagenomica ha studiato porzioni di ambiente a scale molto diverse. La metagenomica del suolo è stato uno dei primi campi di sviluppo. Si è passati poi alla metagenomica delle acque (fiumi, laghi, mari) e ai campionamenti spaziali (asteroidi, Luna, altri corpi rocciosi). Si è quindi proceduto dal molto grande — lo spazio, la terra, l'acqua — fino a contesti molto piccoli come l'intestino.
La pipeline di base prevede alcuni passaggi:
Nei campioni ambientali i microrganismi più rilevanti — soprattutto nell'intestino — sono i batteri, detti anche procarioti. Sono organismi viventi con una cellula non compartimentata: hanno una membrana, una parete e un citoplasma, talvolta flagelli, e all'interno del citoplasma si trova "un po' di tutto" — il nucleoide con il DNA, i ribosomi e forme genetiche come i plasmidi. Sono organismi molto semplici ma con miliardi di anni di evoluzione, capaci di vivere anche in condizioni estreme.
I ribosomi sono descritti come vere e proprie "stampanti tridimensionali": presenti nelle nostre cellule ma anche in quelle dei procarioti, assemblano le proteine a partire dall'RNA messaggero. Il materiale genetico che codifica per i ribosomi — il DNA ribosomiale — è alla base dei marcatori genetici usati per studiare i metagenomi, perché è molto conservato tra specie e tra generi diversi. La regione di riferimento per i batteri è il 16S rRNA.
Il processo pratico: si estrae il DNA totale dal campione, si amplifica con la PCR (reazione a catena della polimerasi, che usa la Taq polimerasi e valse il Nobel a Kary Mullis) la regione conservata del DNA ribosomiale, ottenendo un grande "mare" di piccole sequenze ribosomiali. Queste sequenze conservate consentono di riconoscere le specie presenti.
Il docente usa la metafora delle fiche del poker per spiegare l'analisi quantitativa relativa. Se dall'amplificazione si ottengono 100 fiche di colori diversi, raggruppabili per colore, e 5 fiche rosse appartengono a Prevotella copri, si può dire che questa specie rappresenta il 5% del campione. Se 15 fiche blu sono Bacteroides vulgatus, si aggiunge un 15%. In un campione fecale si parla di parecchie centinaia di specie. Tutte queste analisi sono quindi quantitative e relative: contano il numero di sequenze di ogni specie rispetto al totale delle sequenze ottenute.
L'assegnazione di ogni sequenza alla sua specie non è automatica né banale: se ne occupano pipeline informatiche che riprendono le sequenze, le confrontano con banche dati internazionali (allineamento) e, quando trovano una corrispondenza, identificano specie, genere, famiglia, ordine, classe, filo e regno, ricostruendo veri e propri alberi filogenetici.
Uno dei database internazionali più usati e ad accesso libero è NCBI (National Center for Biotechnology Information), una divisione del NIH (National Institute of Health) statunitense. Vi si trovano, per ogni gene, specie e livello tassonomico, sia le sequenze del codice genetico sia le sequenze amminoacidiche delle proteine. Altri database citati sono, per esempio, Greengenes. Esempi di specie riconoscibili con questo metodo: Faecalibacterium prausnitzii, Lactobacillus acidophilus.
In sintesi, per studiare il microbiota intestinale si preleva un campione del tratto gastrointestinale (dalla bocca, dall'ano tramite le feci, o con campionamenti interni), si estrae il DNA, si amplifica la regione 16S della componente batterica, si costruiscono le librerie (termine tecnico dell'NGS), le si sequenzia ottenendo le sequenze 16S, e le si confronta con i database tramite pipeline informatiche. Il risultato è la ricostruzione delle quantità relative di tutti gli organismi presenti, con le loro differenze qualitative e quantitative.
Ogni distretto corporeo ospita un proprio microcosmo, un ecosistema a sé con specie e concentrazioni differenti. Esistono microbioti di occhi, orecchie, naso, bocca, sistema circolatorio, apparato urinario, vaginale, intestinale, respiratorio e cutaneo. La pelle stessa presenta ambienti diversi: pelle secca, umida e zone sebacee. In ogni ambiente convivono non solo batteri ma anche funghi, virus ed eventuali parassiti. Tra i funghi citati per il tratto gastrointestinale: Candida, Fusarium, Penicillium. Anche la contaminazione fungina cambia per generi e specie a seconda del contesto.
I batteri sono uno dei tre grandi rami del vivente: Bacteria, Archaea ed Eukaryota (Eucarioti). Gli Archaea sono i batteri più antichi; gli animali, uomo compreso, appartengono agli Eucarioti, che hanno cellule compartimentate.
Il confronto tra cellula batterica, cellula animale e cellula vegetale evidenzia:
Mentre l'uomo ha 46 cromosomi (22 coppie più i cromosomi sessuali), il batterio ha un unico cromosoma batterico (un nucleoide, agglomerato di DNA) e, in aggiunta, piccoli anelli di DNA detti DNA plasmidico o plasmidi.
I batteri hanno almeno 3,5 miliardi di anni di evoluzione: sono organismi molto evoluti nella loro semplicità. La loro piccola dimensione e la rapidissima capacità di replicarsi hanno permesso l'adattamento ad ambienti estremi — vulcani, acque molto salate, ambienti geotermici con temperature oltre i 100 gradi, altissima acidità, sali e metalli pesanti — contesti che richiamano gli ambienti primordiali.
I plasmidi possono essere scambiati tra batteri attraverso la coniugazione batterica: un batterio donatore, tramite un pilo coniugativo, passa informazione genetica a un batterio ricevente. Questo trasferimento orizzontale consente il passaggio di "superpoteri", per esempio la resistenza agli antibiotici: la maggior parte delle resistenze batteriche passa attraverso i plasmidi, e può avvenire anche tra specie differenti, nel giro di ore. Il docente lo paragona all'idea, fantascientifica per noi, di mangiare un pezzetto di pelle di un altro e acquisirne i geni.
L'apparato gastrointestinale va dalla bocca all'ano: cavità orale, lingua, faringe, esofago, stomaco (molto acido), intestino tenue, intestino crasso (il colon), retto e ano. Già nell'intestino tenue il fegato scarica la bile per emulsionare i grassi e il pancreas rilascia enzimi digestivi; qui avvengono digestione e assimilazione dei nutrienti, mentre nel colon si completa il percorso fino all'espulsione delle feci.
L'apparato ha un aspetto anatomico (il tubo digerente e le sue fasi: masticazione, triturazione, assorbimento) e uno ghiandolare: numerose ghiandole producono enzimi che predigeriscono, acidificano ed emulsionano. La digestione riguarda tre macronutrienti:
L'assorbimento avviene nell'intestino tramite un tessuto ripiegato (i villi intestinali) che offre un'ampia superficie di esposizione, garantendo un'assimilazione molto efficiente dei nutrienti frammentati.
Il microbiota intestinale si studia analizzando una piccola porzione di feci, cioè ciò che non è stato digerito né assimilato. Il prelievo si effettua con appositi kit; il più diffuso è un tampone microbiologico Copan, reso famoso durante il periodo del Covid, che raccoglie una frazione minima di feci. Si analizzano tutti i batteri presenti, sia quelli coltivabili sia quelli non coltivabili — questi ultimi una novità, perché in passato ci si limitava alle coproculture, che non rilevavano gli anaerobi obbligati (aerobi stretti). Lo studio odierno permette una valutazione dello stato di salute o di infiammazione dell'intestino e, su questa base, di applicare terapie con probiotici o interventi per correggere condizioni di disbiosi.
Aspetti pratici del prelievo: può essere fatto in qualunque momento della giornata, senza orari migliori o peggiori. È importante non cross-contaminare le feci; si buca in tre punti diversi la parte superficiale del campione (quella non a contatto con altre superfici), si inserisce il tampone in una provetta con liquido di conservazione e si tappa. Il campione è stabile a temperatura ambiente per circa quattro settimane, ancora di più se conservato a 4 gradi.
Una celebre copertina di Nature (2014-2015) portò alla luce il concetto di microbiota quando era ancora poco conosciuto. Il microbiota è l'insieme di tutti i microrganismi che vivono stabilmente in simbiosi con il nostro corpo, con microcosmi differenti a seconda della porzione del tratto gastrointestinale. È confermato che il numero di microrganismi simbionti è circa dieci volte quello delle nostre cellule. La microflora batterica può essere di aiuto (microrganismi benefici) o di danno (patogeni e patogeni opportunisti).
Lungo il tratto — stomaco, duodeno, ileo, colon — cambiano acidità (da pH 1,3 nello stomaco fino a pH 7 o poco più nel colon), quantità di microrganismi (da circa 10³ CFU/mL nello stomaco fino a circa 10¹¹ nel colon), concentrazione di ossigeno (aerobi e anaerobi stretti) e generi batterici prevalenti.
L'intestino è completamente innervato: si parla di sistema nervoso enterico. Concorre alla produzione di serotonina a partire dal triptofano, processo in cui i bifidobatteri e i lattobacilli hanno un ruolo positivo. Esistono inoltre gli psicobiotici: batteri che producono o concorrono a produrre sostanze psicotrope e neurotrasmettitori come GABA (acido gamma-amminobutirrico) e BDNF, oltre ad acetilcolina e altri.
Gli psicobiotici sono una nuova classe di probiotici capaci di influenzare positivamente la connessione intestino-cervello, migliorare l'umore e alleviare la depressione. La relazione è bidirezionale: le molecole prodotte nell'intestino agiscono sul cervello e viceversa. Non a caso i soggetti depressi hanno spesso problematiche intestinali. Il coinvolgimento riguarda anche parametri di stress cronico (per esempio il cortisolo) e l'azione antiossidante e antinfiammatoria che protegge dallo stress ossidativo.
Il "re degli psicobiotici" è il Lactobacillus rhamnosus. Alcuni psicobiotici si assumono con alimenti: per esempio il kefir, che può contenere il Lactobacillus casei (ceppo Shirota), commercializzato anche per la capacità di migliorare la qualità della vita.
Un buon microbiota intestinale:
Tutto parte dall'infiammazione del tessuto intestinale. Un intestino sano ha una mucosa con creste e villi (gli enterociti) che, viste al microscopio, sembrano un pettine e garantiscono un'ampia superficie di assorbimento. Quando la mucosa si infiamma si appiattisce, riducendo l'assorbimento: i liquidi passano senza essere trattenuti, si sviluppa diarrea e problematiche correlate.
Nel confronto tra soggetto magro e soggetto obeso si osserva una riduzione della mucina, la barriera protettiva che si forma sulla superficie degli enterociti. L'assottigliamento della mucina e l'apertura delle tight junction (le giunzioni serrate tra enterociti) fanno passare sostanze tossiche, con produzione di interleuchina 6 e altre molecole infiammatorie, e con il passaggio degli LPS.
Gli effetti della disbiosi intestinale: riduzione della barriera intestinale, aumento della permeabilità ("leaky gut"), sintesi di molecole infiammatorie e infiammazione sistemica di basso grado. In alcuni casi diventa quasi impossibile perdere peso e liquidi. Nel lume, in condizione normale, c'è un buono strato di muco e uno spazio ristretto; quando il tessuto si assottiglia, il muco scompare, le pareti si aprono e il lume si allarga, innescando la disbiosi.
Gli LPS (lipopolisaccaridi) non sono sostanze prodotte dai batteri: sono frammenti della parete esterna dei batteri Gram-negativi e agiscono come endotossine che stimolano il sistema immunitario. Quando gli LPS passano la barriera intestinale attivano un sistema di infiammazione: vengono prodotte interleuchine e cellule infiammatorie, generando a cascata un'infiammazione sistemica che porta a steatosi epatica, infiltrazione di macrofagi nel muscolo e loro accumulo nel tessuto adiposo.
Lo studio del microbiota può aiutare a perdere peso: i batteri simbionti regolano la massa grassa e il tessuto adiposo e guidano il fenomeno di infiammazione/insulino-resistenza. Il microbiota del soggetto obeso ha caratteristiche distintive rispetto a quello magro: ridotta variabilità di specie, pochi batteri capaci di produrre acidi grassi a catena corta, ridotta capacità di utilizzo delle macromolecole (soprattutto i carboidrati).
Gli acidi grassi a catena corta (SCFA) — principalmente acetato, propionato e butirrato, con il butirrato come più importante — sono prodotti nel lume intestinale. Hanno un ruolo benefico per l'intestino e per il cervello (superano la barriera ematoencefalica) e si ottengono dalla fermentazione delle fibre: per questo le fibre sono fondamentali.
Casi ed esempi citati:
Il microbiota ha inoltre un ruolo nella gestione dello stress e nella modulazione di condizioni simil-depressive, anche grazie agli acidi grassi a catena corta.
Riferimento: la lezione anticipa che il prossimo incontro riprenderà alcuni argomenti solo sfiorati qui.