Nel progetto Earth Microbiome, un ampio team globale co-guidato da ricercatori dell'Università della California a San Diego, Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale, L'Università di Chicago e l'Argonne National Laboratory hanno raccolto più di 27, 000 campioni da numerosi, ambienti diversi in tutto il mondo. Hanno analizzato le collezioni uniche di microbi, i microbiomi, che vivono in ogni campione per generare il primo database di riferimento dei batteri che colonizzano il pianeta. Grazie a nuovi protocolli standardizzati, metodi analitici originali e condivisione aperta dei dati, il progetto continuerà a crescere e migliorare man mano che verranno aggiunti nuovi dati.

Il documento che descrive questo sforzo, pubblicato il 1 novembre in Natura , è stato co-autore di più di 300 ricercatori in più di 160 istituzioni in tutto il mondo.

Il progetto Earth Microbiome è stato fondato nel 2010 da Rob Knight, dottorato di ricerca, professore alla UC San Diego School of Medicine e direttore del Center for Microbiome Innovation presso la UC San Diego; Jack Gilbert, dottorato di ricerca, professore e direttore di facoltà del Microbiome Center dell'Università di Chicago e leader del gruppo in Ecologia microbica presso l'Argonne National Laboratory; Rick Stevens, dottorato di ricerca, direttore di laboratorio associato presso l'Argonne National Laboratory e professore e ricercatore senior presso l'Università di Chicago; e Janet Jansson, dottorato di ricerca, capo scienziato per la biologia e collega di laboratorio presso il Pacific Northwest National Laboratory. Cavaliere, Gilbert e Jansson sono anche co-autori senior dell'articolo su Nature e Stevens è un co-autore.

"Le potenziali applicazioni per questo database e i tipi di domande di ricerca che ora possiamo porre sono quasi illimitate, " ha detto Knight. "Ecco solo un esempio:ora possiamo identificare da quale tipo di ambiente proviene un campione in oltre il 90% dei casi, solo conoscendo il suo microbioma, oppure i tipi e le relative quantità di microbi che vi abitano. Potrebbero essere utili informazioni forensi sulla scena del crimine... pensa a "CSI"."

L'obiettivo dell'Earth Microbiome Project è quello di campionare il maggior numero possibile di comunità microbiche della Terra al fine di far progredire la comprensione scientifica dei microbi e delle loro relazioni con i loro ambienti, comprese le piante, animali e umani. Questo compito richiede l'aiuto di scienziati di tutto il mondo. Finora, il progetto ha attraversato sette continenti e 43 paesi, dall'Artico all'Antartico, e più di 500 ricercatori hanno contribuito alla raccolta del campione e dei dati. I membri del progetto utilizzano queste informazioni come parte di circa 100 studi, metà dei quali sono stati pubblicati su riviste peer-reviewed.

"I microbi sono ovunque, " ha detto il primo autore Luke Thompson, dottorato di ricerca, che ha assunto il ruolo di project manager mentre era ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Knight ed è attualmente ricercatore associato presso la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). "Eppure prima di questa imponente impresa, i cambiamenti nella composizione della comunità microbica sono stati identificati principalmente concentrandosi su un tipo di campione, una regione alla volta. Ciò ha reso difficile identificare i modelli attraverso gli ambienti e la geografia per dedurre principi generalizzati".

I membri del progetto analizzano la diversità batterica tra i vari ambienti, geografie e chimiche mediante il sequenziamento del gene 16S rRNA, un marcatore genetico specifico per i batteri e i loro parenti, archea. Le sequenze di rRNA 16S servono come "codici a barre" per identificare diversi tipi di batteri, consentendo ai ricercatori di seguirli attraverso campioni provenienti da tutto il mondo. I ricercatori del progetto Earth Microbiome hanno anche utilizzato un nuovo metodo per rimuovere gli errori di sequenziamento nei dati, consentendo loro di ottenere un'immagine più accurata del numero di sequenze uniche nei microbiomi.

All'interno di questa prima versione di dati, il team del progetto Earth Microbiome ha identificato circa 300, 000 sequenze di rRNA microbiche 16S uniche, quasi il 90% dei quali non ha corrispondenze esatte nei database preesistenti.

Le sequenze di rRNA 16S preesistenti sono limitate perché non sono state progettate per consentire ai ricercatori di aggiungere dati in un modo utile per il futuro. Il coautore del progetto Jon Sanders, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Knight, confronta la differenza tra questi altri database e l'Earth Microbiome Project con la differenza tra un elenco telefonico e Facebook. "Prima, hai dovuto scrivere per ottenere la tua sequenza elencata, e l'elenco conterrebbe pochissime informazioni sulla provenienza della sequenza o con quali altre sequenze è stata trovata, " disse. "Ora, abbiamo una struttura che supporta tutto quel contesto aggiuntivo, e che può crescere organicamente per supportare nuovi tipi di domande e intuizioni".

"Sono rimaste ampie aree di diversità microbica da catalogare. Eppure abbiamo 'riacquisito' circa la metà di tutte le sequenze batteriche conosciute, " ha detto Gilbert. "Con queste informazioni, stanno già emergendo modelli nella distribuzione dei microbi della Terra".

Secondo Gilberto, una delle osservazioni più sorprendenti è che le sequenze 16S uniche sono molto più specifiche per i singoli ambienti rispetto alle unità tipiche delle specie utilizzate dagli scienziati. La diversità degli ambienti campionati dall'Earth Microbiome Project aiuta a dimostrare quanto l'ambiente locale formi il microbioma. Per esempio, i microbiomi cutanei dei cetacei (balene e delfini) e dei pesci sono più simili tra loro che all'acqua in cui nuotano; al contrario, il sale nei microbiomi di acqua salata li rende distinti dall'acqua dolce, ma sono ancora più simili tra loro che alla pelle degli animali acquatici. Globale, i microbiomi di un ospite, come un essere umano o animale, erano abbastanza distinti dai microbiomi a vita libera, come quelli che si trovano nell'acqua e nel suolo. Per esempio, i microbiomi a vita libera erano molto più diversificati, generalmente, rispetto ai microbiomi associati all'ospite.

"Questi modelli ecologici globali offrono solo un assaggio di ciò che è possibile con un campionamento coordinato e cumulativo, " Jansson ha detto. "Sono necessari più campionamenti per tenere conto di fattori come latitudine ed elevazione, e per monitorare i cambiamenti ambientali nel tempo. Il progetto Earth Microbiome fornisce sia una risorsa per l'esplorazione di una miriade di domande, e un punto di partenza per l'acquisizione guidata di nuovi dati per rispondervi."