“Alla scoperta del nostro secondo

genoma, il microbiota”

Duccio Cavalieri

www.duccioknights.org

PROCARIOTI EUCARIOTI

Il materiale genetico non è circondato da alcun tipo di membrana ma è libero nel citoplasma in forma di nucleoide

Il materiale genetico è circondato dall’INVOLUCRO NUCLEARE

Il genoma è in forma di unico cromosoma circolare costituito da DNA a doppia elica con un’unica origine di replicazione

Il genoma è in forma di più cromosomi lineari che possono essere ciascuno presente in 1 copia (aploide), 2 copie (diploide), più copie (poliploide)

Dimensioni della cellula molto più piccole (1-5µm) Dimensioni della cellula più grandi (>8µm)

Solo alcune cellule sono circondate da una parete (funghi, piante) ma non contengono peptidoglicano.

La cellula è circondata da una parete di peptidoglicano

Microrganismi

Antoine Van Leuvenhook (1680)

• Da mercante di stoffe a

costruttore di microscopi solari,

scopritore dei

“wee animalicules”

Ottico Risoluzione 0.2 μm=2x10-7m Elettronico-Risoluzione 2Å=2x10-10m

Colonie batteriche cresciute in piastra Petri contenente nutrienti.

- si possono coltivare su terreni

sintetici in piastra.

- si può evidenziare il loro DNA

(culture-independant methods).

Come studiare la diversità microbica?

(identificare e contare i microorganismi presenti in un ambiente)

DNA e’ un ottimo strumento per la

tassonomia

Le sequenze di DNA hanno numerosi vantaggi rispetto ai caratteri

tassonomici morfologici:

– I marcatori possono essere determinati in modo non ambiguo

(variazione di sequenza)

– Il DNA codificante per l’RNA ribosomale batterico è il miglior marcatore

batterico

http://rdp.cme.msu.edu/

“Towards a natural system of organisms:

Proposals for the domains of

Archeae, Bacteria, and Eucarya.”

Carl Woese, 1990

Pluricellular organisms

Stafilococchi

Cellule sferiche (cocchi), formano ammassi irregolari

Cellule Gram + immobili, asporigene

Metabolismo anaerobio/aerobio facoltativo (catalasi pos)

Tassonomia

Phylum: Firmicutes

Classe: Bacilli

Ordine: Bacillales

Famiglia: Staphylococcaceae

Genere: Staphylococcu

Sono batteri presenti normalmente su cute e mucose e sono

possibili patogeni umani

Le principali specie di interesse medico sono:

Staphylococcus aureus

Staphylococcus epidermidis

June 2012 , Self-Portrait: the Human Microbiome

2001

The sequence of the human genome.

La Rivoluzione Metagenomica

Analisi contemporaneamente del genoma di tutti i micro-organismi

Mentre il genoma di un individuo umano è statico, il “metagenoma”è dinamico

$ 8.2 milioni

•Determinare quali specie del microbioma sono a comune fra piu’ individui

•Comprendere quali cambiamenti nel microbioma umano possono essere correlati con cambiamenti dello stato di salute.

•Sviluppo di nuovi metodi tecnologici e bioinformatici per il conseguimento degli obbiettivi proposti

•Discussione delle implicazioni etiche, legali e sociali derivanti dallo studio del microbioma umano.

The Human Microbiome Project

Per ciascuna cellula umana 10 batteri

Chi siamo?

Microbioma 1.000.000 geni

Genoma Umano 30.000

geni

Il metagenoma umano: Geni Homo sapiens + Geni di miliardi di microrganismi

10 x 1012 cellule

100 x 1012 cellule

1.5-2 Kg di batteri!

10 batteri

Siamo Ologenomi che camminano

Il famoso libro di De Kruif (1926) descrive l’età eroica della

medicina alla scoperta del mondo microscopico, in cui vennero

scoperti gli agenti causali di molte malattie infettive.

Nelle pagine di questo libro, il nostro rapporto con i microbi è

descritto come una vera guerra permanente, piuttosto che in

termini di un reciproco beneficio.

Cacciatori di Microbi

Il Microbiota Umano

• Lo ereditiamo dalla madre (parto e allattamento) e dall’ambiente, lo coltiviamo

con la dieta

– Fondamentali capacità metaboliche (vitamine K, B6 ..)

– Protezione dai patogeni

– Educazione del sistema immune

• Microbiota intestinale:

– 2 kg di microorganismi

– interagiscono su 300mq di intestino

(quasi un campo da tennis)

Influenza lo sviluppo delle cellule della mucosa intestinale

E’ fonte di energie e di sostanze nutritive (es. vitamine, prodotti di fermentazione delle fibre)

Serve come barriera contro i microrganismi patogeni (possibili fonti di malattie) stimolando le difese

immunitarie

Quali sono i benefici?

“Nulla in biologia ha senso se non alla luce dell’Evoluzione”

T. Dobzhansky

Evoluzione per selezione naturale Gli individui meglio adattati al proprio ambiente hanno maggiori probabilità di sopravvivere e di riprodursi,

trasmettendo quindi i caratteri utili alla generazione successiva.

LA SELEZIONE AGISCE SULL’OLOGENOMA

“L’umanità si è diffusa rapidamente sulla faccia della terra e si è trovata esposta nel corso delle sue incessanti migrazioni alle più diverse

condizioni di vita: gli abitanti della Terra del Fuoco, del Capo di Buona Speranza o della Tasmania in un emisfero, e delle regioni Artiche,

nell’altro, debbono essere passati per molti climi ed aver cambiato le loro abitudini molte volte, prima di raggiungere le loro dimore attuali”

Charles R. Darwin 1871

L’ evoluzione del nostro microbiota Geneticamente siamo identici agli uomini del paleolitico ma la nostra

dieta è profondamente cambiata e la durata della nostra vita

enormemente allungata, anche grazie all’uso di antibiotici.

I nostri microorganismi ci hanno accompagnato e si sono rapidamente

adattati a questi cambiamenti.

La rivoluzione del Neolitico (-10.000) avvento agricoltura e pastorizia

Neolithic grind stone for processing grain

Coevoluzione malattie-società complesse

Cambia il rapporto dieta-alimenti appaiono le prime epidemie

Da cacciatori raccoglitori a residenti stanziali-si formano le prime

comunità

Inizia l’uso di alimenti fermentati, birra, vino, pane, i nostri geni non sanno

affrontare queste sfide, inconsapevolmente ci facciamo aiutare dai

microorganismi commensali, che possono cambiare a velocità sufficente

Top

10

Most

Cited

Ba

cter

oid

etes

Firmicu

tes

Ley RE et al. 2005. PNAS

Bacteroidetes

Others

Proteobacteria

Firmicutes

Bacteroidetes

Actinobacteria

EU

BF

Firmicutes

La microflora dei bambini italiani è simile a quella degli obesi

L’intestino dei bambini del villaggio africano (BF)

Ha meno patogeni che quello degli europei

Xylanibacter ia una dieta ricca in fibre e polisaccaridi di piante

Porta a un aumento di acidi grassi a catena corta che prevengono l’insorgenza di malattie

Xylanibacter Prevotella

SCFAs ?

De Filippo et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2010, 107:14691-6.

Antibiotici e Benessere-1

Antibiotici e Benessere-2

Blaser M. Antibiotic overuse: Stop the killing of beneficial bacteria. Nature. 2011 Aug 24;476(7361):393-4

Antibiotici e Benessere-3

L’ipotesi dell’igene Dermatiti Atopiche (Eczema) Diabete di tipo 1 e 2-Obesità- Asma, Allergie Artrite Reumatoide Celiachia-Morbo di Crohn-Colite Ulcerosa

I casi di queste malattie sono più numerosi nelle comunità in cui: 1- Si consumano cibi fermentati pastorizzati 2- C’è un alto uso di antibiotici Rook GA. Hygiene hypothesis and autoimmune diseases. Clin Rev Allergy Immunol. 2012 Feb;42(1):5-15.

Queste malattie sono legate a un Alterato equilibrio fra uomo e i suoi Microorganismi e hanno frequenza Minore in aree rurali di Africa e Asia I migranti che da queste aree vengono In Europa cominciano a soffrire di queste malattie-

a

.

e

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d

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c

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b

.

f

.

Cellule Dendritiche Intestinali “catturano” batteri

DC

Bacteria

Courtesy of M. Rescigno, M. Chieppa et al. JEM 2006

EDWARD JENNER

1749-1823

Fondatore della moderna VACCINAZIONE

Antica Cina: VARIOLIZZAZIONE

Osservazione Jenner: uomini colpiti da vaiolo bovino resistenti all’infezione umana.

Esperimento: James Phipps inoculato con liquido proveniente da una pustola di

mucca.

Inoculazione liquido di pustola di uomo

No malattia!

Louis Pasteur-1885: vaccino contro la rabbia

LOUIS PASTEUR

1822-1895

Un fiorente ecosistema intestinale Terapia antibiotica-riduzione

diversità

Lasciato a se stesso il “prato”

viene invaso dalle erbacce

Probiotici Prebiotici Terapia batterica

La nostra microflora è un delicato ecosistema in equilibrio dinamico

Una maggiore biodiversità anche a livello della microflora intestinale può fornire una prima difesa contro i potenziali patogeni.

Ma una dieta sempre più standardizzata non fa altro che diminuire la biodiversità………….

Cosa possiamo fare per salvaguardare la nostra microflora

intestinale e cosa rischiamo se non ci pensiamo?

Usare i microorganismi “benefici” dei frutti e degli

alimenti tradizionali per reintrodurli in modo razionale

negli alimenti di domani

Carlotta De Filippo

Monica Di Paola

FEM

Paolo Lionetti

Dip. di Scienze per la Salute della

Donna e del Bambino

UNIFI

Matteo Ramazzotti

Luisa Berna

Dip. Biochemistry

UNIFI

Giuseppe Pieraccini

CISM, UNIFI

Duccio Cavalieri

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