I ricercatori del Politecnico di Zurigo, dell’Inselspital e dell’Università di Berna stanno equipaggiando i batteri intestinali con una funzione di data logger per monitorare quali geni sono attivi nei batteri. I microrganismi saranno un giorno in grado di diagnosticare le malattie e di registrare gli effetti sulla salute di una dieta in modo non invasivo.
Il nostro intestino ospita innumerevoli batteri che ci aiutano a digerire il cibo. Ma cosa fanno esattamente i microrganismi all’interno del nostro corpo? Quali enzimi producono e quando? E come fanno i batteri a metabolizzare gli alimenti che promuovono la salute e che ci aiutano a evitare le malattie? Per trovare risposte a queste domande, i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dei Biosistemi del Politecnico di Zurigo a Basilea hanno modificato i batteri in modo che funzionino come registratori di dati e registrino informazioni sull’attività dei geni. Insieme agli scienziati dell’Inselspital e dell’Università di Berna, hanno ora testato questi batteri nei topi. Si tratta di un passo importante verso l’utilizzo dei “batteri sensori” in medicina in futuro, ad esempio per diagnosticare la malnutrizione o per capire quale dieta è giusta per un paziente.
Il sistema immunitario diventa un registratore di dati
La funzione di registrazione dei dati è stata sviluppata negli ultimi anni dai ricercatori del Politecnico di Zurigo sotto la guida di Randall Platt, Professore di Ingegneria Biologica. Per farlo, hanno utilizzato il meccanismo Crispr/Cas, un tipo di sistema immunitario batterico presente in molte specie di batteri: se i batteri vengono attaccati da virus, possono incorporare frammenti del materiale genetico virale in un’area del proprio materiale genetico chiamata array Crispr. In questo modo, i batteri ricordano i virus con cui sono stati a contatto e possono combatterli più rapidamente in caso di una futura reinfestazione.
Per poter utilizzare questo meccanismo come un registratore di dati, i ricercatori non guardano ai frammenti genetici degli invasori virali, ma a qualcos’altro: il meccanismo può essere utilizzato in modo che i batteri incorporino frammenti del proprio RNA messaggero nell’array Crispr. Gli RNA messaggeri sono molecole di istruzioni per la costruzione che le cellule utilizzano per creare le proteine. I frammenti di RNA messaggero forniscono quindi informazioni su quali geni sono attualmente utilizzati per produrre proteine. Affinché questo funzioni bene, i ricercatori hanno introdotto l’array Crispr della specie batterica Fusicatenibacter saccharivorans in un ceppo del batterio intestinale Escherichia coli, che è considerato sicuro e approvato come cosiddetto probiotico. Parte del trasferimento era il manuale di costruzione di un enzima chiamato trascrittasi inversa, che può trascrivere l’RNA in DNA. Questo enzima trascrive anche le informazioni dell’RNA messaggero nella forma di DNA, necessaria per l’incorporazione nell’array Crispr.
Esame senza disturbare il corpo
I ricercatori dell’Inselspital e dell’Università di Berna, guidati da Andrew Macpherson, hanno ora somministrato tali batteri intestinali modificati ai topi in laboratorio. Il team ha raccolto i campioni fecali di questi animali, ha isolato il DNA batterico e lo ha analizzato utilizzando il sequenziamento del DNA ad alto rendimento. I ricercatori sono riusciti a ricostruire le informazioni genetiche dei frammenti di RNA messaggero da un’enorme massa di dati, utilizzando la bioinformatica. Gli scienziati sono stati quindi in grado di determinare in modo non invasivo la frequenza con cui quale molecola di RNA messaggero è stata prodotta dai batteri intestinali durante la loro permanenza nel corpo, e quindi quali geni sono attivi.
“Con il nuovo metodo, possiamo ottenere informazioni direttamente dall’intestino, senza dover interrompere la funzione intestinale”, afferma Andrew Macpherson, professore e capo della gastroenterologia dell’Inselspital di Berna. Questo metodo presenta quindi dei vantaggi rispetto alla colonscopia, che può essere sgradevole per i pazienti e disturba sempre la funzione intestinale, perché l’intestino deve essere vuoto per l’esame.
Determinare lo stato nutrizionale
“I batteri sono molto bravi a percepire le condizioni ambientali e ad adattare il loro metabolismo alle condizioni che cambiano, come il cibo”, spiega Macpherson. Negli esperimenti condotti su topi alimentati con diete diverse, i ricercatori sono riusciti a dimostrare come i batteri adattano il loro metabolismo al rispettivo apporto di nutrienti. I ricercatori vorrebbero sviluppare ulteriormente il metodo, in modo da poterlo utilizzare un giorno per studiare nei pazienti come l’alimentazione influisce sull’ecosistema intestinale e come questo influisce sulla salute. Il metodo sarà utilizzato in futuro per determinare lo stato nutrizionale di bambini e adulti. In base a ciò, si può diagnosticare la malnutrizione o i medici possono decidere se un paziente ha bisogno di integratori nutrizionali. I ricercatori sono stati anche in grado di rilevare le reazioni infiammatorie nell’intestino. Hanno somministrato i batteri sensori a topi con infiammazione intestinale e a topi sani. In questo modo, sono riusciti a determinare il profilo specifico dell’RNA messaggero dei batteri intestinali che passano alla modalità infiammatoria.
Distinguere i diversi batteri
Parte dell’attuale studio pubblicato sulla rivista Science è anche un ulteriore sviluppo grazie al quale gli scienziati possono distinguere tra due ceppi batterici sulla base di singoli “codici a barre” genetici. In futuro, questo permetterà di studiare la funzione delle mutazioni genetiche nei batteri negli animali da laboratorio. I ricercatori possono usarlo per confrontare il profilo dell’RNA messaggero di diversi batteri, ad esempio quelli mutati e quelli senza mutazioni. Grazie al data logger molecolare, per la prima volta è possibile determinare questo profilo mentre i batteri attraversano l’intestino e non solo quando sono presenti nelle feci. Quindi gli scienziati sanno cosa è successo quando i batteri vivevano ancora nell’intestino.
Sarebbe anche ipotizzabile sviluppare ulteriormente il sistema per distinguere i profili di RNA dei batteri nell’intestino tenue e crasso. Inoltre, la funzione di data logger potrebbe essere incorporata anche in altri tipi di batteri. Questo renderebbe possibili le applicazioni nel monitoraggio ambientale. Analizzando i batteri del suolo di un campo, ad esempio, si potrebbe dimostrare se sono stati utilizzati erbicidi.
Applicazione sicura possibile
I ricercatori hanno richiesto un brevetto per il metodo stesso e per i profili di RNA caratteristici che consentono di trarre conclusioni su determinati nutrienti ingeriti e sulla salute dell’intestino. Tuttavia, prima che i batteri sensori possano essere utilizzati al di fuori di un laboratorio – anche nei pazienti – gli scienziati devono ancora chiarire le questioni di sicurezza e legali. Perché i batteri sono geneticamente modificati. “In linea di principio, esiste la possibilità di utilizzare microrganismi viventi geneticamente modificati come diagnostici o terapeutici in medicina, se vengono soddisfatte alcune condizioni”, spiega Platt. È quindi possibile modificare i batteri sensori in modo che richiedano determinati nutrienti e quindi sopravvivano solo all’interno dell’intestino del paziente. Al di fuori dell’intestino, tali batteri muoiono. L’installazione di meccanismi di sicurezza appropriati è il passo successivo verso un’applicazione in medicina.
Fonte originale:
Schmidt F, et al.: Valutazione non invasiva della funzione intestinale mediante cellule sentinella di registrazione trascrizionale. Science, 12 maggio 2020, doi: 10.1126/science.abm6038.
