Un girotondo di batteri

Lo studio nasce da un’intuizione: non siamo soli nel nostro corpo e chi abita con noi si sposta anche verso i nostri vicini. Nicola Segata, docente di Genetica al Dipartimento di Biologia Cellulare, Computazionale e Integrata – Cibio, ha vinto il suo secondo Erc Consolidator Grant partendo da questa idea.

Dottorato in informatica, un’esperienza triennale a Boston e un progetto sul metagenoma umano, Segata ha deciso di tornare a Trento e di dedicarsi allo studio del microbioma quando questo era un campo ancora inesplorato e dal quale era rimasto affascinato, come lui stesso racconta. «Ho scelto di dedicare la mia esperienza e la mia ricerca alla comprensione delle caratteristiche biologiche degli organismi microbici che popolano il corpo umano e alle loro potenziali ricadute anche in ambito applicativo, per supportare le nuove frontiere della medicina con le nostre conoscenze».
Come in un’antica danza, miliardi di microorganismi si muovono dentro di noi. Ma questi esseri che nascono e vivono con noi, al pari della nostra specie, non si limitano a colonizzare una sola terra. Con grande voglia di avventura, si spostano verso nuovi territori, cioè altri esseri umani. Ed è proprio questo il cuore del progetto: studiare la trasmissione del microbioma, scoprire da dove arrivano i nuovi batteri che acquisiamo nel corso della nostra vita.
«Il nostro corpo, dalla pelle, alla cavità orale, all’intestino - spiega Segata - è abitato da miliardi di microrganismi inclusi batteri, virus e funghi, che compongono il microbioma umano. Ognuno di noi, fino a quando è nell’utero materno, è sterile. La prima “colonizzazione” del nostro corpo da parte di queste cellule microscopiche avviene attraverso la madre già durante il parto. Questo è emerso da uno studio che abbiamo condotto qualche anno fa all’ospedale Santa Chiara di Trento su alcune madri e i loro neonati, che ci ha consentito di tracciare il passaggio del microbioma».
Il microbioma però cambia nel corso della vita, influenzato da stile di vita, alimentazione, età. Ma anche dalle interazioni sociali. La conferma arriva da un secondo studio, pubblicato lo scorso anno come primo passo del progetto Erc, in cui si è visto come individui adulti che vivono nello stesso nucleo familiare abbiano una condivisione dei propri ceppi microbici. E sta per essere ulteriormente confermato da uno studio in corso questa volta in alcuni asili nido di Trento. Sono stati raccolti campioni orali e fecali di bambini e bambine, prima del loro ingresso al nido e successivamente, dopo sei mesi che lo frequentavano. «Il risultato è stato illuminante», afferma il docente. In questo lasso di tempo infatti, bambini e bambine avevano sviluppato più batteri in comune tra loro, che con i loro genitori.
Una scoperta che forse può impressionare qualcuno, ma che nasconde anche un lato romantico.  «Quando stiamo insieme ad altre persone, non condividiamo solo uno spazio – sottolinea Segata - ma condividiamo in parte anche la grande popolazione di microrganismi che vive dentro di noi. Questo permette di ipotizzare che la trasmissione del microbioma avvenga principalmente da persona a persona».
Non dobbiamo però immaginare questi microrganismi come orde di barbari che invadono i nostri corpi. Tra questi batteri, molti ci aiutano a restare in salute. «Questi microscopici esseri influenzano il nostro sistema immunitario – spiega ancora il professore – quindi un microbioma sano permette al nostro corpo di combattere le infezioni e di assimilare alcune molecole positive per la nostra salute». Conoscere il microbioma e la sua trasmissione è importante nel caso delle malattie immunomediate, in cui il sistema immunitario causa situazioni patologiche, ed è fondamentale per la prevenzione di alcune patologie. «La nostra ipotesi prevede la possibilità di favorire la trasmissione di batteri positivi e inibire quella di batteri negativi a scopo terapeutico», aggiunge Segata.
Per lo studio del microbioma Nicola Segata utilizza una tecnica innovativa: la metagenomica. Si basa sul sequenziamento del materiale genetico di tutta un’intera comunità microbica, senza la necessità di coltivare ogni singolo microorganismo (un processo dispendioso in termini di tempo e costi), e l’analisi computazionale di questi dati. Per seguire le tracce del microbioma, è stato applicato il sequenziamento metagenomico a soggetti molto diversi tra loro: tra questi anche la mummia del Similaun. Per capire come è cambiato il nostro microbioma durante l’evoluzione umana.
Ma cosa rappresenta il raggiungimento di un Erc e perché è importante?
«Gli Erc permettono grande libertà di sviluppo per la propria ricerca, soprattutto in direzioni inesplorate. L’assegnazione di questo finanziamento ci rende molto orgogliosi come gruppo di ricerca, ma rappresenta soprattutto una grande opportunità: la possibilità di proseguire una ricerca in cui crediamo molto, con creatività e passione. Nel mio laboratorio – prosegue – ci sono figure molto diverse tra loro, dal biologo al matematico, dall’informatico al dentista, dal microbiologo all’antropologo, una multidisciplinarietà che allarga i nostri orizzonti e permette di continuare a imparare».
Importante anche l’aspetto divulgativo della ricerca scientifica, tra gli obiettivi della Terza missione perseguiti dall’Università. «Grazie al progetto Erc abbiamo dato sfogo alle menti più creative del nostro laboratorio creando batteri “colonizzatori” veri e propri. Si tratta di pupazzi con le loro sembianze. Con questi “mostri” di peluche riusciamo a spiegare il ruolo del microbioma e il suo impatto sul nostro corpo ad adulti, ma anche a un pubblico molto più giovane».

Surrounded by bacteria

The objective of Nicola Segata's ERC project "MicroTouch" is to understand the impact of social life on the microbiome

The assumption for this study is this: we are not alone in our body, and those who live with us will also move toward our neighbours. Nicola Segata, Professor of Genetics at the Department of Cellular, Computational and Integrative Biology - Cibio, has been awarded his second ERC Consolidator Grant based on this idea.

After a PhD in computer science, three years in Boston and a project on the human metagenome, Segata decided to come back to Trento and devote himself to the study of the microbiome when this was still a rather unexplored field of study that fascinated him, as he recounts. "I have chosen to focus my work and my research on understanding the biological characteristics of the microbial organisms that inhabit the human body and their potential impact, including in terms of applications, to expand the frontiers of medicine with our knowledge."

Like an ancient dance, billions of microorganisms move in our body. They are born and live with us and, like our species, they do not limit themselves to occupying a single country:  they have a great desire for adventure so they move to new territories, that is, other human beings. And this is precisely the heart of the project: studying the transmission of the microbiome, to find out where the new bacteria that we acquire during our lives come from.

"Our body, in the skin, the oral cavity, the intestine — explains Segata — is inhabited by billions of microorganisms including bacteria, viruses and fungi, which make up the human microbiome. Foetuses in the womb are sterile. The first "colonization" of our body by these microscopic cells occurs via the mother at childbirth. This emerged from a study we conducted a few years ago at Santa Chiara Hospital in Trento on a group of mothers and their newborns, which allowed us to identify the transfer of the microbiome."

However, the microbiome changes throughout life, as it is influenced by lifestyle, diet, and age, for example, but also by social interactions. This was confirmed by a second study that we published last year as the first step of the ERC project. It demonstrated that adult individuals living in the same family share their microbial strains. And this is about to be further confirmed by a study we are conducting in a number of nurseries in Trento. We collected oral and faecal samples from the children, before their admission to the nursery and after six months of attendance. "The result of the study were amazing," Segata says. In fact, in this span, the children developed more bacteria in common with each other than with their parents.

It is an impressive discovery, but it also has a romantic side. "When we spend time with other people, we not only share a space – Segata underlines — we also share part of the large population of microorganisms that inhabit our body. Because of that, we can suggest that the transmission of the microbiome mainly occurs from person to person."

However, we should not imagine these microorganisms as hordes of barbarians invading our bodies. Many of these bacteria help us stay healthy. "These microscopic beings affect our immune system – he continues. A healthy microbiome helps our body fight infections and assimilate molecules that are good for our health." Knowing the microbiome and its transmission is important in the case of immune-mediated diseases, where the immune system causes the disease, and is fundamental for the prevention of certain diseases. "Our hypothesis is that it may be possible to facilitate the transmission of beneficial bacteria and inhibit that of harmful bacteria for therapeutic purposes," adds Segata.

To study of the microbiome, Nicola Segata uses metagenomics, an innovative approach. It consists in the sequencing of the genetic material of an entire microbial community, without the need to cultivate each microorganism (a time-consuming and costly process), and in the computational analysis of this data. To follow the traces of the microbiome, The metagenomic sequencing approach was used to reconstruct the microbiome of very different individuals, including Ötzi the Iceman, and understand how our microbiome has changed during human evolution.

What does the award of an ERC mean? Why is it an important achievement?

"ERC grants give researchers the opportunity to freely pursue their research interests in unexplored directions. The award of an ERC makes us very proud as a research group, particularly because it means that we can continue with our work with creativity and passion. The people in my laboratory – he continues – come from very different backgrounds: biology, mathematics, computer science, dentistry, microbiology and anthropology: this multidisciplinarity broadens our horizons and allows us to continue to learn."

The dissemination of scientific research is also important, and it is among the objectives of the University's third mission. "Thanks to the ERC project, the most creative and brilliant minds of our laboratory have created some genuine puppets that look like bacteria. These furry monsters help us explain the role of the microbiome and its impact on our bodies to adults, but also to a much younger audience."