Microbioma: fonte non sfruttata di nuovi antimicrobici

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Per quasi due decenni gli scienziati hanno visto il microbioma come una fonte inutilizzata di molecole che possono aiutare a combattere le infezioni e possibilmente a trattare altri processi patologici.
Un team di bioprospettori della Princeton University guidato dal Dr. Yuki Sugimoto, ha combinato la bioinformatica alla biologia sintetica per identificare piccole molecole biologicamente attive con capacità simili a quelle di un farmaco. Usando il loro nuovo algoritmo computazionale, Sugimoto e i suoi colleghi sono stati in grado di illuminare le impronte digitali del DNA di molecole antimicrobiche potenzialmente potenti.
“Il microbioma umano ospita migliaia di specie batteriche di diversa composizione tra i diversi siti del corpo umano e tra gli individui”, ha osservato Sugimoto, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio del Dr. Mohamed Donia, un biologo molecolare di Princeton.
“Il microbioma è composto da una moltitudine di microbi commensali che risiedono dentro e su di noi, definiti da vaste colonie di batteri e persino virus e funghi benefici che prosperano simbioticamente come parte dell’ecosistema personale di ciascun individuo. Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti notevoli progressi nel chiarire gli effetti del microbioma sulla salute umana e sulle malattie, le molecole e i meccanismi sottostanti che regolano questi effetti sono rimasti in gran parte inesplorati, almeno fino ad ora”, ha aggiunto il ricercatore.
La ricerca bioprospettiva di Princeton è una nuova area nella crescente arena delle indagini sul microbioma umano, che negli ultimi anni è passata da un arcano focus di ricerca a un’impresa multi-miliardaria, mentre le biotecnologie e le aziende farmaceutiche hanno avviato progetti.
A livello accademico, il progetto Human Microbiome, un’iniziativa del National Institutes of Health degli Stati Uniti, che si è svolto dal 2007 al 2016, è stato uno sforzo iniziale progettato per sviluppare una comprensione “generale” del ruolo svolto dalla flora microbica umana.
Una seconda fase del progetto integrativo sul microbioma umano, avviato nel 2014, è volta a caratterizzare ulteriormente le comunità dei microbi commensali e il loro impatto sui processi patologici, nonché il loro ruolo nella salute fisica e mentale.
Sugimoto, il cui background di ricerca è in biologia sintetica e che ha ricevuto un dottorato presso l’Università Friedrich-Schiller in Germania, si è concentrato sull‘identificazione di molecole biologicamente attive, derivate da microbiomi. I suoi ultimi dati, riportati su Science, gettano nuova luce sulla potenza del microbiota umano e sul potenziale ruolo che questi microbi avranno nello sviluppo dei farmaci antimicrobici del futuro.
La ricerca non è inverosimile, dato il passato lungo e storico dello sviluppo di antibiotici. Ad esempio, l’attività antimicrobica dei funghi è nota da quasi 100 anni dopo la scoperta accidentale della penicillina da parte di Alexander Fleming nel 1928. La scoperta dell’Università di Rutgers del 1943 della streptomicina antibiotica, un farmaco derivato dal batterio del suolo, Streptomyces griseus e altri reperti, ha inoltre gettato le basi per studi che dimostrano come organismi apparentemente semplici possano produrre molecole complesse e biologicamente attive. Fino ad ora si è voluto cogliere il potenziale di molecole che possiedono capacità simili
tra le comunità microbiche del microbioma.
Sugimoto e colleghi descrivono il microbioma umano come una risorsa senza eguali per identificare le strutture chimiche di nuovi farmaci. “Abbiamo scoperto che i membri di una classe di molecole clinicamente utilizzate sono ampiamente codificati nel microbioma umano e che esercitano potenti attività antibatteriche contro i microbi vicini”, Sugimoto e il team hanno scritto in Science. “Il nostro approccio apre la strada a una rivelazione sistematica del repertorio chimico codificato dal microbioma umano“.
Per il loro studio, i ricercatori hanno fatto affidamento sul loro approccio personalizzato, un algoritmo informatico che ha permesso loro di cercare un vasto numero di frammenti molecolari. Questo approccio bioinformatico, MetaBGC (che sta per cluster di geni biosintetici del metagenoma), ha permesso loro di scoprire molecole mai riportate prima dal microbioma umano.I ricercatori si sono concentrati su campioni della bocca, intestino e pelle, siti biologici ricchi di colonie microbiche.
Hanno trovato diversi nuovi enzimi, i BGC sintetasi del polichetide di tipo II, o semplicemente i BGC TII-PKS, provenienti dai tre siti. Le molecole di TII-PKS sono ben note perché un enzima TII-PKS è un componente importante della doxorubicina, un farmaco antitumorale con attività antibiotica. A parte il suo ruolo nel trattamento del cancro, la doxorubicina è anche usata come test per lo screening dei batteri ambientali.
Per testare l’importanza delle loro scoperte sulle molecole TII-PKS BGC, Sugimoto e il suo team di bioprospettori hanno testato campioni di persone di tutto il mondo: Stati Uniti, Danimarca, Spagna e Cina. Hanno scoperto che, indipendentemente dalla posizione geografica, le persone possedevano geni per queste molecole, suggerendo che sono diffuse nelle popolazioni umane.
“La diversità strutturale osservata nei prodotti di due dei 13 BGC scoperti da questo studio e il fatto che assomiglino alla struttura o all’attività biologica dei farmaci usati clinicamente, motiva chiaramente ulteriori indagini funzionali su questa classe”, afferma Sugimoto. “Queste indagini non serviranno solo come una via importante per chiarire le interazioni tra microbioma e ospite a livello molecolare, ma serviranno anche come risorsa senza precedenti per la scoperta di farmaci all’interno del corpo umano“.
Fonte, Science