Il tuo corpo ne pullula:100 trilioni di microbi nel tuo intestino, polmoni, bocca, e pelle. La tua casa brulica di loro:nei gabinetti e nei lavandini, su tavoli e sedie, nel tappeto, e sul tuo cane Anche il terreno su cui ti trovi abbonda di innumerevoli batteri, fungo, protozoi, alghe, e virus, tutti microscopici, tutti parte di una comunità di organismi che interagiscono tra loro e con l'ambiente. Queste comunità e gli ambienti con cui interagiscono sono noti come "microbiomi, " e la nostra crescente comprensione di loro sta cambiando il modo in cui trattiamo le malattie, coltivare colture, e creare prodotti di uso quotidiano.

Sta cambiando il modo in cui vediamo la natura.

Gli scienziati della Penn State e del College of Agricultural Sciences sono in prima linea nella ricerca sui microbiomi. Stanno sondando le viscere umane e animali per imparare come i microrganismi influenzano la salute, e stanno esplorando i suoli per scoprire come i microbi avvantaggiano le colture. Attraverso questo lavoro gli scienziati stanno acquisendo un apprezzamento per la complessità della vita microbica sulla Terra. E stanno anche esplorando i potenziali benefici e le sfide che queste creature presentano.

Il viaggio umano nel regno del microscopico iniziò nel 1657, quando Antoni van Leeuwenhoek, un commerciante di tessuti che vive a Delft, Olanda, ha rivelato di aver scoperto, guardando attraverso il suo semplice microscopio auto-creato, minuscoli "animaletti" che vivono nell'acqua del lago.

In una lettera alla neonata Royal Society di Londra, van Leeuwenhoek scrisse che questi animaletti erano "così piccoli, ai miei occhi, che ho giudicato che anche se 100 di questi piccolissimi animali giacessero distesi l'uno contro l'altro, non potevano raggiungere la lunghezza di un granello di sabbia grossolana.. . è stato meraviglioso da vedere."

La scoperta dei microrganismi da parte di Van Leeuwenhoek ha costituito un cambiamento senza precedenti nella comprensione umana del mondo naturale. All'improvviso, la vita sulla Terra divenne allo stesso tempo considerevolmente più complessa ed estremamente meravigliosa. E ancora, più di 350 anni dopo, rimaniamo all'oscuro di chi siano molte di queste creature e di cosa stiano facendo.

"A seconda di chi parli, potremmo non sapere nulla del 99 percento dei microrganismi nell'ambiente, "dice Carole Bull, professore e capo del Dipartimento di Patologia Vegetale e Microbiologia Ambientale. Ma, lei aggiunge, proprio come il cambiamento che si è verificato dopo che van Leeuwenhoek ha scoperto i microbi, una moderna rivoluzione scientifica promette di rivelare le identità e le attività delle comunità di microrganismi che hanno un così grande impatto sulle nostre vite.

Questa volta, lo strumento che rende tutto questo possibile è il sequenziamento ad alto rendimento, noto anche come sequenziamento di nuova generazione. Disponibile per la prima volta nel 2000 e ampiamente utilizzato solo dall'ultimo decennio, la tecnologia può determinare l'ordine dei nucleotidi:l'As, Ts, Gs, e Cs, per centinaia di migliaia di molecole di DNA da una miriade di specie contemporaneamente. La tecnologia permette di apprendere le identità di ogni specie presente in un piccolo campione di, Per esempio, acqua di stagno. Sequenziamento semplice del DNA, d'altra parte, è molto più limitato nelle sue capacità.

"Il concetto di microbiomi non è particolarmente nuovo, " dice Bull. "Ma con il sequenziamento ad alto rendimento, la scatola nera della microbiologia si sta finalmente illuminando, " dice Bull. "Ci sta dimostrando che i microbi non funzionano da soli nel vuoto. Anziché, fanno parte di una comunità in cui l'ambiente, altri organismi, e i microbi si influenzano e si rispondono a vicenda."

Protezione della qualità dell'acqua e ripristino del suolo

Il microbioma del suolo è un argomento di studio complicato. Un cucchiaino di terreno probabilmente contiene un miliardo di singole cellule batteriche, forse 500, 000 frammenti fungini, migliaia di protozoi, e chissà quanti virus, dice Mary Ann Bruns, professore associato di scienze e gestione degli ecosistemi. E dei soli batteri, lei aggiunge, possono esistere 10, 000 a 20, 000 specie diverse.

Bruns utilizza il sequenziamento ad alto rendimento, tra gli altri strumenti, per fare a pezzi questa "zuppa di DNA, "come lo chiama lei, che è contenuto nel suolo. La sua ricerca sui microbi del ciclo dell'azoto su scala di campo si inserisce nel quadro più ampio della riduzione del trasporto di nutrienti alle zone morte costiere. "Globale, metà dell'azoto nel fertilizzante che viene applicato alle colture non viene assorbito dalle colture, " dice. "Invece si liscivia alla falda acquifera o scorre via nei sedimenti. Gran parte di quell'azoto alla fine si fa strada nel Golfo del Messico e nella baia di Chesapeake, dove sconvolge gli ecosistemi. Sono interessato a come possiamo fermare questo processo alla fonte, come possiamo rendere meno dispendiosi i nostri metodi di applicazione e gestione dell'azoto."

Il tasto, lei dice, consiste nel trovare comunità microbiche piante-suolo che conservano l'azoto perché sono responsabili di gran parte del ciclo dei nutrienti nel suolo. Per esempio, i microbi convertono l'ammonio in nitrato, che è la forma di azoto più facilmente persa. "Alcuni microbi sono responsabili di molte delle reazioni biochimiche nel suolo che si traducono in una scarsa efficienza, " dice Bruns. "Nell'agricoltura tradizionale, abbiamo contrastato questo problema di perdita di azoto aggiungendo un importo assicurativo. È più economico e più facile aggiungere altro piuttosto che cercare di capire come prevenire le perdite in primo luogo".

La buona notizia è che mentre alcuni microbi promuovono la perdita di azoto dal suolo, altre specie sono in grado di fissare l'azoto dall'atmosfera e mantenerlo in posizione. Utilizzando il sequenziamento ad alto rendimento, Bruns e uno dei suoi studenti laureati hanno caratterizzato una miscela di due ceppi strettamente correlati di cianobatteri e diverse specie di batteri non fotosintetici che formano rapidamente biofilm sul suolo per ridurre l'erosione e il deflusso. Questo "consorzio, " lei dice, potrebbe essere aggiunto al suolo agricolo per fissare carbonio e azoto e aiutare i nutrienti a rimanere al loro posto, riducendo così la necessità di ulteriori applicazioni di azoto e proteggendo gli ambienti a valle dall'inquinamento da azoto.

Bruns dice che vorrebbe vedere le aziende interessarsi a tali prodotti e svilupparli per l'uso agricolo. Per esempio, tali prodotti microbici potrebbero essere applicati, insieme ad emendamenti, per bonificare terreni danneggiati, un'altra area in cui la ricerca sul microbioma fornisce approfondimenti. Bruns e l'associata post-dottorato Claudia Rojas hanno utilizzato il sequenziamento di nuova generazione per mostrare l'aumento dei funghi micorrizici e dei rizobi ​​benefici nei terreni minerari rivegetati dopo l'aggiunta di moderate quantità di compost e calce.

Terrence Bell, assistente professore di patologia vegetale e microbiologia ambientale, è anche interessato alla creazione di consorzi microbici che possono essere aggiunti ai suoli per migliorarne la funzione. Si è concentrato sul ripristino dei terreni che hanno perso la loro attività microbica a causa dell'uso eccessivo di fertilizzanti e prodotti chimici. "Alcuni terreni agricoli sono impoveriti dei microrganismi essenziali necessari per la crescita delle colture perché sono stati trattati con fertilizzanti chimici per così tanto tempo, " lui dice.

Attraverso studi sperimentali, Bell e uno dei suoi studenti universitari hanno dimostrato che è così. Hanno applicato diversi tipi di ammendanti nutritivi ai terreni e hanno scoperto che i terreni esposti a elevate quantità di fosforo chimico hanno subito cambiamenti nella composizione del microbioma, compresa una riduzione della diversità microbica, che sembrava avere un impatto sulla crescita delle colture.

"Il nostro prossimo passo è capire se possiamo contrastare questo problema reintroducendo la diversità microbica in questi ambienti, "dice Bell.

Come con la ricerca di Bruns, il compito richiede l'uso delle più recenti tecniche di sequenziamento. "Dipende davvero dagli strumenti disponibili, e il fatto che sia passato solo meno di un decennio da quando il sequenziamento ad alto rendimento è stato ampiamente utilizzato nel nostro campo, " dice Bell. Con queste tecnologie, "ci stiamo concentrando sulle funzioni, " aggiunge Bruns. "La maggior parte degli organismi non sono patogeni o causano malattie, stanno solo aspettando che le condizioni giuste diventino attive. Il nostro obiettivo è comprenderlo e utilizzare la conoscenza a nostro vantaggio".

Controllo dell'intestino

L'ambiente dell'intestino umano comprende decine di trilioni di singoli microrganismi, pesano collettivamente quasi 4,5 libbre. Molti di questi microbi sono implicati nella riduzione del rischio di cancro, depressione, obesità, e anche l'autismo. Infatti, "good" bacteria are becoming so popular for their positive health effects that the newly emerging probiotic industry netted more than $35 billion in profits in 2015. But some species are linked to problems.

Consider obesity. In the United States alone, 34 percent of adults and 15 to 20 percent of children and adolescents are obese. Negli ultimi anni, researchers and clinicians have been turning to the gut microbiome to try to better understand this problem. Fecal matter is 50 percent bacteria. Microorganisms must be playing an important metabolic role.

Andrew Patterson, associate professor of veterinary and biomedical sciences, has learned a great deal about how bacteria influence obesity and the metabolic diseases associated with obesity, namely type II diabetes and non-alcoholic fatty liver disease. Ad esempio, in his studies, he has noticed that mice given tempol, a drug typically used to protect cells against radiation damage, weigh significantly less than mice not given the drug. Per approfondire, he and his team designed an experiment in which they fed mice a high-fat diet and gave them the drug tempol. They found that these mice gained significantly less weight than mice that were fed a high-fat diet but were not given tempol.

Patterson determined that the tempol was likely reducing the amounts of Lactobacillus and Clostridium bacteria in the mice guts. And when these bacteria decreased, a specific bile acid—known as tauro-beta muricholic acid—increased. "For some reason the bacteria metabolize bile acids either as a protective mechanism, or as a way of scavenging off nutrients for growth, " lui dice.

Secreted from the liver into the intestine, bile acids are responsible for digesting dietary fats and oils. "If you have a disorder in these types of processes then you have a really hard time digesting fat, " says Patterson.

To determine what was going on between the Lactobacillus and bile acids, Patterson turned to metabolomics—the study of the chemical fingerprints that are left behind after cellular processes take place. He learned that when the bile acid tauro-beta muricholic acid increases, it turns off the farnesoid X receptor (FXR), which is responsible for regulating the metabolism of bile acids, grassi, and glucose in the body. "FXR is there to say, 'Hey, there's enough bile acid in the intestine, shut off synthesis in the liver, or there's not enough bile acid so synthesis needs to be turned on, '" says Patterson.

The revelation about FXR's involvement led Patterson and his colleagues at the Hershey Medical Center and the National Cancer Institute to design their own anti-obesity drug that specifically targets FXR. In less than two years, they created a pill, modeled after tauro-beta muricholic acid but made from glycine-beta muricholic acid, that caused mice to gain significantly less weight and have less insulin resistance when fed a high-fat diet than mice in the untreated control group.

Patterson received a RAIN grant from the college to help commercialize his product. He also formed a company, called Heliome Biotech, Inc., to commercialize the drug, along with any others that may arise. But Patterson cautions that although his drug has the potential to help patients, it isn't a cure-all. "I don't think this is going to be the magic pill that allows you to eat a tub of ice cream every day and not see any metabolic problems later in life, " he says. "You have to adopt a healthy lifestyle as well."

Lactobacillusisn't the only bacteria with strains that can cause problems.E. coli, pure, which is common and generally benign throughout the human gut, includes at least one very dangerous strain—O157:H7. This bacterium enters the body through contaminated foods.

"One of the things that makes O157:H7 so terrible is when it gets in your intestines it produces a powerful toxin called Shiga toxin that is responsible for a lot of the serious symptoms of disease, from mild diarrhea to severe kidney damage, " says Edward Dudley, associate professor of food science. "The question is what's the difference between the people who only get diarrhea and those who get terribly sick?"

Dudley believes our gut microbiomes might hold the key to this question. "Could it be that different microorganisms in our gut—what I carry versus what you carry—could cause our reactions to O157:H7 to be different? After all, when O157:H7 enters our intestines, it's not existing there by itself; it's interacting with hundreds of microorganisms that are found in our gut. We are asking whether any of these organisms that O157:H7 finds itself setting up shop with do anything that may either increase or decrease the amount of toxin that the organism produces."

Those suspicions were confirmed when Chun Chen, un ex dottorato di ricerca student of Dudley's, grew O157:H7 in the laboratory together with a variety of strains of common gut E. coli. "When grown together with O157:H7 some of them dramatically increase the amount of toxin that O157:H7 produces, suggesting what E. coli strains are in your intestines might actually play a role in dictating the course of the disease, " says Dudley.

Another one of Dudley's former students, Kakolie Goswami, along with a colleague from the University of Michigan, repeated the experiment using sterile mice that contained no bacteria. They inoculated those mice with O157:H7 and also with a nonpathogenic strain of E. coli that he'd previously shown in the laboratory to amplify Shiga toxin. They found the same result:the mice with the O157:H7 and the other strain of E. coli did worse than the mice with only O157:H7.

According to Dudley, antibiotics can't be used to treat O157:H7 the way they can with other bacteria. Infatti, antibiotics actually increase the amount of Shiga toxin that the pathogen produces. Di conseguenza, doctors simply monitor patients and treat their symptoms. "By knowing which E. coli strains a patient carries, doctors could predict the course of the disease in patients and be prepared with various treatments, " says Dudley. He adds that it also may be possible to use certain strains of E. coli as a probiotic that patients could ingest that would block the ability of O157:H7 to produce large quantities of toxin.

"Per decenni, we studied various bacteria growing as pure cultures in the lab, when in reality, whether it's human health or in the soils or oceans, no bacteria, except a very tiny number of them, exist by themselves, " says Dudley. "They are always in a community of other organisms. Now we're really beginning to pick apart just how an organism of interest behaves differently when it's in the presence of other organisms. There is much to learn."

Infatti, microbiome research is an open book with the potential to transform our lives. "We know now that microbiomes are driving more than we ever thought, " says Bull. "There is a wealth of information that we have only just begun to tap."

Bull notes that it's important for public institutions, like Penn State, to be involved in this type of research. "As a land-grant institution, Penn State is mandated to create knowledge for the greater good, " she says. "For example, if you talk to a farmer, he or she will tell you, 'This is my best soil; anything I grow here will be fine, ' but a hundred yards away, he or she might say, 'This is not a great spot, '" says Bull. "Farmers know the difference because they've seen the yields, but they do not know why one spot is great for their crops and the other is not. It's our job as scientists to do the research and give them the answer for that."