La colturomica, un nuovo approccio di indagine delle nicchie ecologiche batteriche
La colturomica rappresenta un approccio coltura-dipendente di tipo high-throughput, basato sull’utilizzo di molteplici condizioni di coltura combinate.
La tecnica analitica maggiormente utilizzata per l’identificazione di diversi taxa batterici è la spettrometria di massa Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI TOF).
Saggiando varie condizioni di crescita, come pH, O2, temperatura e tempi di incubazione, si predilige l’utilizzo di terreni che presentino composizioni nutrizionali atte a favorire la crescita delle varie specie batteriche presenti in un dato campione.
L’identificazione di eventuali nuovi taxa batterici può essere validata tramite approcci metagenomici come il sequenziamento del gene 16S rRNA o il sequenziamento dell’intero genoma.
La combinazione di approcci colturomici e metagenomici ha portato alla caratterizzazione di nuove specie batteriche facenti parte di svariati consorzi microbici.
Si ottengono così informazioni non soltanto tassonomiche ma anche funzionali, andando ad indagare quello che viene definito “microbial dark matter“.
Il microbial dark matter
Con il rapido aumento dei dati di sequenziamento, si è acquisita sempre più conoscenza sulle comunità microbiche.
Tuttavia, c’è ancora molto da imparare sulle comunità microbiche, tra cui miliardi di nuove specie e geni, nonché degli innumerevoli modelli dinamici all’interno delle comunità microbiche, che insieme formano il “microbial dark matter“.
La grande complessità, che emerge considerando il microbial dark matter, spinge gli scienziati all’uso del data mining, in particolare i metodi di intelligenza artificiale (IA).
Oltre alle tecniche cultura-indipendenti, come ad esempio la metagenomica, il microbial dark matter può essere indagato attraverso metodi colturomici, consentendo di ottenere il ceppo fisico dei nuovi taxa scoperti.
Quindi lo studio del microbial dark matter, si deve considerare con l’obiettivo di far progredire la comprensione delle comunità microbiche, nonché di sviluppare soluzioni per far fronte alle preoccupazioni globali sulla salute umana e ambientale.
La tecnologia MALDI TOF, nella colturomica
L’identificazione delle specie batteriche nelle tecniche colturomiche può avvenire tramite spettrometria di massa, utilizzando la tecnologia MALDI-TOF Bioanalyzer® (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization – Time of Flight) (Bruker®).
La spettrometria di massa MALDI-TOF è una tecnica analitica che sfrutta il principio di frammentazione e ionizzazione di proteine ribosomiali, costruendo un profilo proteico specifico per ciascun batterio.
L’identificazione dei microrganismi avviene tramite l’ottenimento di spettri di massa, ognuno corrispondente ad una proteina ribosomiale, i quali vengono confrontati con un database contenente quello di innumerevoli specie batteriche già note e identificate.
In condizioni di vuoto spinto, il campione viene irradiato con un raggio laser che ne determina la disgregazione in frammenti, i quali vengono accelerati da un campo magnetico e migrano fino a una membrana che rileverà e registrerà le masse ionizzate.
Il tempo con cui i frammenti raggiungono questa membrana (tempo di volo) dipenderà dalla loro massa. Lo strumento è in grado di acquisire i dati, elaborarli in spettri di massa e confrontarli con spettri di riferimento.
La corrispondenza con lo spettro specifico di ciascun microrganismo presente nel database determina l’attribuzione di un punteggio, che indica il grado di identità con cui la colonia analizzata viene associata ad una data specie.
La banca dati, può essere arricchita anche con nuovi profili di batteri mai identificati fino ad allora (previa conferma con tecniche di sequenziamento).
Conclusioni
La colturomica, rappresenta una nuova frontiera della microbiologia, dato che attraverso l’utilizzo d’approcci ad alto rendimento, come ad esempio la tecnologia MALDI-TOF, si riescono ad identificare quei microorganismi che restano difficili da ottenere a livello colturale.
Quindi queste nuove strategie coltura-dipendenti, possono trovare largo impego nelle più svariate branche della microbiologia applicata: dallo studio dei probiotici (promuovendo l’eubiosi intestinale umana ed animale), lo screening di varie matrici, per ottenere microrganismi utili da un punto di vista industriale e sanitario, fino ad arrivare alla rintracciabilità lungo la filiera agro alimentare, garantendo una maggior food seafty.
Fonti:
- Lagier, J.-C. et al. Culturing the human microbiota and culturomics. Nat Rev Microbiol 16, 540–550 (2018).
- Vaz-Moreira, I., Egas, C., Nunes, O. C. & Manaia, C. M. Culture-dependent and culture-independent diversity surveys target different bacteria: a case study in a freshwater sample. Antonie Van Leeuwenhoek 100, 245–257 (2011).
- Zha, Y., Chong, H., Yang, P. & Ning, K. Microbial Dark Matter: From Discovery to Applications. Genomics Proteomics Bioinformatics 20, 867–881 (2022).
- https://doi.org/10.1128/mmbr.00036-17
Immagini:
- Immagine in evidenza: https://www.google.com/imgres?q=culturomics&imgurl=https%3A%2F%2Fwww.europeanpharmaceuticalreview.com%2Fwp-content%2Fuploads%2Fshutterstock_1036394278-1-scaled-e1576247809228.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fwww.europeanpharmaceuticalreview.com%2Farticle%2F108026%2Flearning-from-clinical-microbiologists-culturomics-and-metagenomics%2F&docid=MPAABl25HtdymM&tbnid=iwhHqYeArtfk9M&vet=12ahUKEwiX5Le8zc6IAxU0hP0HHXYyIxAQM3oECHAQAA..i&w=733&h=440&hcb=2&ved=2ahUKEwiX5Le8zc6IAxU0hP0HHXYyIxAQM3oECHAQAA
- Figura 1: https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.researchgate.net%2Ffigure%2FMALDI-TOF-MSs-operating-principle-and-the-sample-preparation-step-for-identification_fig2_320490506&psig=AOvVaw26bM6-Bm1VB8pjsg4jq2TA&ust=1726821110825000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBcQjhxqFwoTCNDb6YzMzogDFQAAAAAdAAAAABAE
