Grazie allo studio “A global metagenomic map of urban microbiomes and antimicrobial resistance” pubblicato recentemente su Cell dall’International MetaSUB Consortium, un’iniziativa globale per il monitoraggio dei microbi capeggiata dai ricercatori di Weill Cornell Medicine, dal 2015 al 2017 sono stati raccolti circa 12.000 batteri e virus nei sistemi di trasporto pubblico e negli ospedali di tutto il mondo che prima non erano mai stati identificati,
Per lo studio, il numerosissimo team internazionale di ricercatori ha accolto, in circa 3 anni, in 60 città do 32 Paesi e 6 continenti, quasi 5.000 campioni e poi ha analizzato i campioni utilizzando la shotgun sequencing, una tecnica di sequenziamento genomico per rilevare la presenza di vari microbi, tra cui batteri, archaea (organismi unicellulari distinti dai batteri) e virus che utilizzano il DNA come materiale genetico. Mentre altri tipi di virus che utilizzano l’RNA come materiale genetico, come SARS-CoV-2, il virus che causa il Covid-19, non sarebbero stati rilevati con i metodi di analisi del DNA utilizzati in questo studio pre-pandemia.
Gli scienziati evidenziano che «Questo campo di ricerca ha importanti implicazioni per rilevare focolai di infezioni sia note che sconosciute e per studiare la prevalenza di microbi resistenti agli antibiotici in diversi ambienti urbani».
L’autore senior dello studio, Christopher Mason, co-direttore della WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction e professore di fisiologia e biofisica alla Weill Cornell Medicine, ricorda che «Ogni volta che ti siedi in metropolitana, probabilmente fai il pendolare con una specie completamente nuova».
Il nuovo studio ha portato alla scoperta di 10.928 virus e 748 batteri che non sono presenti in nessun database di riferimento.
Mason Mason, che è anche co-fondatore e consulente di Biotia e Onegevity Health e oratore per WorldQuant LLC, ha fondato Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes (MetaSUB) nel 2015, insieme a Evan Afshin, allora studente universitario al Macaulay Honors College del Queens College e ora ricercatore clinico in fisiologia e biofisica palla Weill Cornell Medicine e consulente per Onegevity Health. Lo studio appena pubblicato è stato condotto da Mason, David Danko, un dottorando della Weill Cornell Graduate School nel laboratorio di Mason, e Daniela Bezdan, all’epoca ricercatrice associata in biomedicina computazionale alla Weill Cornell Medicine.
Raccogliendo campioni di microbi e analizzando i loro geni – il microbioma – il team di ricercatori spera di saperne di più su batteri, virus e altri microrganismi che vivono tra gli esseri umani. »Ad esempio – evidenziano – la ricerca può aiutare a identificare l’emergere di ceppi resistenti agli antibiotici». Prevedere la resistenza agli antibiotici dalle sole sequenze genetiche è impegnativo, ma i ricercatori sono stati in grado di mappare alcuni geni noti per essere collegati alla resistenza, quantificarne l’abbondanza e confermare la capacità dei marcatori genetici di conferire resistenza. E hanno scoperto che «Alcune città avevano più geni di resistenza di altre e che potrebbero esserci firme specifiche cittadine per alcuni di questi geni».
La resistenza antimicrobica resta una delle principali sfide per la salute globale. Afshin è fiducioso: «Anche se sono necessarie ulteriori ricerche, questo dataset dimostra il valore e il potenziale per la mappatura e il monitoraggio del microbioma e le informazioni che può fornire a medici, scienziati e funzionari della sanità pubblica».
Weill Cornell Medicine fanno notare che «Inoltre, conoscere le piccole molecole e le proteine prodotte dai microbi potrebbe anche portare alla scoperta di nuovi antibiotici e di altre molecole che potrebbero essere sviluppate come farmaci. Molti antibiotici e farmaci attualmente in uso derivano da fonti microbiche. Le scoperte fatte su nuove specie microbiche potrebbero anche portare a nuovi strumenti e approcci di laboratorio, come nuovi modi per utilizzare lo strumento di editing molecolare noto come CRISPR. In questo studio, i ricercatori hanno trovato 838.532 nuovi array CRISPR – frammenti di DNA virale trovati all’interno dei batteri – e 4,3 milioni di nuovi peptidi (piccole proteine)».
Grazie a questo imponente lavoro di campionamento, Mason ha detto di «Poter prevedere con circa il 90% di precisione dove vive una persona, semplicemente sequenziando il DNA sulle sue scarpe». È stato scoperto che molti fattori influenzano il microbioma di una città, tra i quali la popolazione complessiva e la densità di popolazione, l’altitudine, la vicinanza all’oceano e il clima. I risultati su queste firme distinte potrebbero consentire futuri studi forensi.
Danko sottolinea che «Un microbioma contiene echi molecolari del luogo in cui è stato raccolto. Un campione costiero può contenere microbi amanti del sale, mentre un campione proveniente da una città densamente popolata può mostrare una biodiversità sorprendente».
Mason e Afshin hanno iniziato a raccogliere e analizzare campioni microbici nel sistema della metropolitana di New York nel 2013. Dopo aver pubblicato i loro primi risultati, chiamati PathoMap, sono stati contattati da ricercatori di tutto il mondo che volevano fare studi simili nelle lorocittà. L’interesse internazionale ha ispirato il laboratorio di Mason a creare MetaSUB e a reclutare Daniela Bezdan come direttrice della ricerca. La Bezdan spiega che «Avevamo bisogno di protocolli accettati a livello internazionale, logistica e accordi di collaborazione con scienziati, fornitori, uffici governativi e fondazioni filantropiche per potenzialmente 100 città in 20 Paesi.
Oggi MetaSUB continua a crescere e si è espanso per raccogliere campioni di RNA e DNA da aria, acqua e acque reflue, oltre alle superfici dure. Questo ha portato una sovvenzione di 5 milioni di dollari per il sequenziamento delle acque reflue e il monitoraggio in Florida, New York e Wisconsin all’interno del nuovo National Wastewater Surveillance System (NWSS) dei Centers for Disease Control and Prevention .
Il team di MetaSUB supervisiona anche progetti come il Global City Sampling Day (gCSD), che si tiene ogni anno il 21 giugno, e ha condotto studi ad ampio raggio tra cui un’analisi microbica completa di Rio de Janeiro prima, durante e dopo le Olimpiadi del 2016. Molti dei campioni analizzati nel nuovo studio sono stati raccolti durante il Global City Sampling Day nel 2016 e nel 2017. Il lavoro di campionamento a New York City è stato condotto con il supporto del Weill Cornell Medicine Clinical and Translational Science Center (CTSC.
Mason ricorda che «Quando abbiamo iniziato nel 2015, il consorzio era composto da 16 città; 6 anni dopo abbiamo più di 100 città. E’ fantastico avere questo gruppo di co-ricercatori curiosi, intraprendenti ed entusiasti. Sebbene i campioni vengano raccolti in tutto il mondo, gran parte dell’analisi viene eseguita proprio qui a New York City presso la Weill Cornell Medicine». L’analisi e l’assemblaggio delle sequenze ha anche sfruttato i supercomputer Bridges and Bridges-2, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) del Pittsburgh Supercomputing Center. I ricercatori di MetaSUB in Svizzera (Andre Kahles e Gunnar Rätsch) hanno utilizzato questi gruppi e dati grezzi per creare il MetaGraph, un portale di sequenze di DNA globale ricercabile che indicizzava tutte le sequenze genetiche conosciute (inclusi i dati MetaSUB). Il portale mappa tutti gli elementi genetici conosciuti o scoperti di recente sulla Terra e i ricercatori dicono che «Può aiutare nella scoperta di nuove interazioni microbiche e funzioni putative».
L’isolamento del DNA dai campioni è stato in gran parte eseguito con il supporto di Zymo Research e Promega e sequenziato in collaborazione con Shawn Levy dell’HudsonAlpha Institute for Biotechnology, Klas Udekwu dell’università di Stoccolma e il New York Genome Center. Gli studi futuri e in corso esamineranno l’RNA e il DNA con letture lunghe e metodi di imaging spaziale, oltre a tracciare i metaboliti dai siti globali e continuare ad aggiornare la mappa genetica su scala planetaria.
Tratto da 
del 01 Giugno 2021
