"Alla scoperta del nostro secondo genoma, il microbiota" - Duccio Cavalieri www.duccioknights.org - UniFI
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“Alla scoperta del nostro secondo
genoma, il microbiota”
Duccio Cavalieri
www.duccioknights.org
Microrganismi
PROCARIOTI EUCARIOTI
Dimensioni della cellula molto più piccole (1-5µm) Dimensioni della cellula più grandi (>8µm)
Il materiale genetico non è circondato da alcun tipo di membrana ma Il materiale genetico è circondato dall’INVOLUCRO NUCLEARE
è libero nel citoplasma in forma di nucleoide
Il genoma è in forma di più cromosomi lineari che possono essere
Il genoma è in forma di unico cromosoma circolare costituito da DNA
ciascuno presente in 1 copia (aploide), 2 copie (diploide), più copie
a doppia elica con un’unica origine di replicazione
(poliploide)
Solo alcune cellule sono circondate da una parete (funghi, piante) ma
La cellula è circondata da una parete di peptidoglicano
non contengono peptidoglicano.
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.
Come studiare la diversità microbica?
(identificare e contare i microorganismi presenti in un ambiente)
- si possono coltivare su terreni
sintetici in piastra.
- si può evidenziare il loro DNA
(culture-independant methods).
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 organismsStafilococchi 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
2001
The sequence of the human genome.
June 2012 , Self-Portrait: the Human MicrobiomeLa Rivoluzione Metagenomica Analisi contemporaneamente del genoma di tutti i micro-organismi Mentre il genoma di un individuo umano è statico, il “metagenoma”è dinamico
The Human Microbiome Project
•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.
$ 8.2 milioniChi siamo?
10 batteri
Per ciascuna cellula umana10 x 1012 cellule
Genoma Umano 30.000
geni
10 batteri
100 x 1012 cellule
1.5-2 Kg di batteri!
Microbioma 1.000.000 geni
Il metagenoma umano:
Geni Homo sapiens + Geni di miliardi di microrganismiSiamo Ologenomi che camminano
Cacciatori di Microbi
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.Il Microbiota Umano
• Microbiota intestinale:
– 2 kg di microorganismi
– interagiscono su 300mq di intestino
(quasi un campo da tennis)
• 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 immuneQuali sono i benefici?
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“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
Da cacciatori raccoglitori a residenti stanziali-si formano le prime
comunità
Neolithic grind stone for processing grain
Cambia il rapporto dieta-alimenti appaiono le prime epidemie
Coevoluzione malattie-società complesse
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 sufficenteTop 10 Most Cited
Bacteroidetes Firmicutes
La microflora dei bambini italiani è simile a quella degli obesi
EU
Others
BF
Proteobacteria
Firmicutes
Bacteroidetes
Actinobacteria
Firmicutes Bacteroidetes
Ley RE et al. 2005. PNASL’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
Antibiotici e Benessere-3 Blaser M. Antibiotic overuse: Stop the killing of beneficial bacteria. Nature. 2011 Aug 24;476(7361):393-4
a b
L’ipotesi dell’igene . .
Dermatiti Atopiche (Eczema)
Diabete di tipo 1 e 2-Obesità-
Asma, Allergie c d
Artrite Reumatoide . .
Celiachia-Morbo di Crohn-Colite Ulcerosa
I casi di queste malattie sono più numerosi
nelle comunità in cui: e f
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-Cellule Dendritiche Intestinali “catturano” batteri
DC
Bacteria
Courtesy of M. Rescigno, M. Chieppa et al. JEM 2006EDWARD 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
La nostra microflora è un delicato ecosistema in equilibrio dinamico
Lasciato a se stesso il “prato”
Terapia antibiotica-riduzione viene invaso dalle erbacce
Un fiorente ecosistema intestinale
diversità
Probiotici Prebiotici Terapia battericaCosa possiamo fare per salvaguardare la nostra microflora
intestinale e cosa rischiamo se non ci pensiamo?
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………….Usare i microorganismi “benefici” dei frutti e degli
alimenti tradizionali per reintrodurli in modo razionale
negli alimenti di domaniSimbiosi
BIOLOGI
BIOINFORMATICI Tecnologica Carlotta De Filippo
Monica Di Paola
FEM
Duccio Cavalieri
Matteo Ramazzotti
Luisa Berna MEDICI
Dip. Biochemistry Paolo Lionetti
UNIFI Dip. di Scienze per la Salute della
Donna e del Bambino
CHIMICI UNIFI
Giuseppe Pieraccini
CISM, UNIFIPuoi anche leggere
