Il termine “metagenomica” è sempre più utilizzato in ambito scientifico, specialmente in relazione a microbioma e microbiota. Si definisce infatti in questo modo lo studio della comunità microbica di un microbioTA (come ad esempio quello intestinale, orale o vaginale) sulla base del sequenziamento e dell’isolamento del suo DNA, per un totale di almeno cento milioni di coppie di basi e a partire da un campione ambientale.

I dati estrapolati dal materiale genetico analizzato vengono poi interpretati attraverso l’analisi computazionale, con l’ausilio di software e procedure statistiche, al fine di comprendere in sempre maggiore dettaglio qualità e quantità della popolazione microbica – e al contempo individuando anche eventuali microrganismi sconosciuti. Allo stesso tempo, l’analisi metagenomica permette di comprendere le possibili interazioni tra i diversi microrganismi presenti in una comunità microbica.

Considerata una scienza emergente, la metagenomica è osservata con il massimo interesse dalla comunità scientifica mondiale perché rappresenta un approccio inedito allo studio del ruolo che microbioma e microbiota umano possono giocare nella salute dell’organismo e, di riflesso, anche nell’insorgenza di determinate condizioni.

In estrema sintesi, il metagenoma umano (sarebbe meglio non utilizzare il termine metagenoma in quanto è una metodologia di laboratorio) è rappresentato dal materiale genetico dell’uomo e dal materiale genetico del suo microbioTA. Per comprendere l’importanza sempre più centrale dell’analisi metagenomica, è necessario ricordare che, se da un lato il genoma di una persona rimane statico, il suo metagenoma può invece subire modifiche e alterazioni perché strettamente correlato ai microrganismi con cui è in piena simbiosi: di riflesso, va da sé che la possibilità di analizzare la comunità microbica a partire dalla sua componente genetica rappresenta un formidabile passo avanti non solo nella diagnosi tempestiva di determinate patologie, ma anche nella stima del loro rischio di insorgenza.

Inoltre, questo nuovo approccio allo studio del microbioma ha già permesso di condurre ricerche fondamentali sulle comunità microbiche inquinanti presenti nell’ambiente e sulla loro interazione con il microbioma umano.

Come avviene l’analisi metagenomica?

L’analisi metagenomica segue diverse fasi che possono essere così riassunte:

1. Pre-sequenziamento: è lo step che valuta la complessità della comunità di microrganismi da analizzare e definisce gli obiettivi dello studio sulla base delle possibilità di sequenziamento e analisi computazionale disponibili.
2. Campionamento: comporta l’estrazione e la purificazione del DNA da analizzare, prestando la massima attenzione alla preservazione della sua qualità. Il campionamento potrà avere un diverso approccio a seconda degli obiettivi del progetto: se, ad esempio, questi comportano la creazione di una libreria di cloni, le tecniche utilizzate non dovranno frammentare eccessivamente il DNA; se, per contro, si desidera sequenziare il DNA estratto, questo potrà anche essere frammentato.
3. Sequenziamento: è la fase che porta alla produzione effettiva delle sequenze di DNA. Le read del sequenziamento – ossia i prodotti di questo processo – verranno poi riassemblati ottenendo sequenze più lunghe, chiamate contig. Queste saranno successivamente unite in sequenze ancora maggiori che prendono il nome di scaffold. Unendo infine le varie scaffold si otterrà il prodotto finale, chiamato assembly genomico, che è di fatto il genoma completo.
4. Annotazione: è la fase dell’analisi metagenomica in cui viene attribuito un significato alle sequenze prodotte, identificando i geni codificati dalle sequenze di DNA e, laddove possibile, le loro funzioni. È in quest’ultimo step che viene prodotta la descrizione della comunità microbica analizzata.

La metagenomica nello studio del microbiota umano

Come accennato in precedenza, il ruolo della metagenomica si rivela sempre più centrale nell’analisi del microbiota umano, specie in considerazione della complessità e ricchezza delle comunità microbiche che popolano il nostro organismo.

I recenti avanzamenti tecnologici nel sequenziamento del DNA, ad esempio, hanno permesso di scoprire che soltanto a livello dell’intestino sono presenti centomila miliardi di microrganismi, così come che questi ultimi sopravvivono e operano in piena simbiosi con l’essere umano attraverso particolari sistemi di regolazione. In questo senso, il microbiota intestinale è quasi una sorta di super-organismo che si modifica ed evolve assieme all’ospite, il quale mette a disposizione un ambiente ottimale al suo sviluppo. Al microbiota toccherà invece il compito di svolgere funzioni che il corpo umano, da solo, non sarebbe in grado di portare a compimento, come ad esempio la digestione di zuccheri complessi o la produzione di determinate vitamine.

Nel caso di un organismo ospite in buona salute, il microbiota intestinale può rimanere stabile nel tempo. Al contrario, in presenza di patologie come il morbo di Crohn o il diabete di tipo 2 così come di condizioni come l’obesità, è possibile osservare marcate diversità nei microrganismi presenti a livello intestinale. Al momento attuale, resta importante comprendere se – per così dire – sia nato prima l’uovo o la gallina, ossia se le patologie presenti abbiano provocato un’alterazione del microbiota o se sia stata l’alterazione di quest’ultimo a facilitare la loro comparsa.

Per avere un quadro completo della crescente importanza della metagenomica nell’analisi delle comunità microbiche che popolano l’organismo umano bisogna poi ricordare che, fino alla comparsa di questa nuova scienza, gli studi di microbiologia si basavano quasi esclusivamente su test di laboratorio in cui i microrganismi, e i batteri in particolare, venivano prodotti in coltura e fatti crescere in modo artificiale.

Il principale limite di tale metodica è facilmente intuibile: una coltura artificiale è priva del contesto in cui i microrganismi proliferano naturalmente. Al contrario, grazie all’analisi metagenomica possiamo oggi individuare e isolare i microrganismi di interesse direttamente nell’ambiente naturale in cui essi si sviluppano, sequenziando poi il loro prezioso patrimonio genetico. Diversamente dal passato, in cui svariati microrganismi non potevano essere studiati semplicemente perché la loro coltura in laboratorio era impossibile, la metagenomica offre oggi l’opportunità preziosa di arricchire gli studi delle comunità microbiche parte del nostro organismo, individuando le associazioni tra composizione del microbiota e condizioni di salute – o patologiche.

Ecco quindi che, attraverso l’analisi metagenomica, possiamo ora analizzare l’identità e le funzioni della ricca popolazione del microbiota umano – composta da batteri, funghi e virus che vivono all’interno del nostro corpo e con noi coesistono quotidianamente, formando un universo pienamente integrato con il nostro organismo e responsabile di funzioni fondamentali per il nostro benessere.

Una volta individuata tale correlazione, si aprono nuove prospettive sia diagnostiche che terapeutiche per il trattamento di particolari patologie.

Al momento attuale, la metagenomica è già considerata estremamente promettente per il mantenimento dello stato di salute negli individui sani (attraverso il riconoscimento e la preservazione delle specie microbiche “virtuose”), così come per la caratterizzazione di condizioni patologiche per le quali, in passato, non si riteneva che la componente microbica giocasse un ruolo patogenetico.