A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

Il corpo umano non è un organismo solitario, ma un ecosistema frenetico, un paesaggio brulicante di vita microscopica che vive su e dentro di noi. Tra i molti luoghi che questi microbi chiamano casa, la pelle si distingue come una vasta, esposta frontiera. È un ambiente secco, acido e povero di nutrienti che tuttavia sostiene una complessa comunità di batteri, funghi, virus e archei. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che questo microbioma cutaneo svolge un ruolo vitale nell'insegnare al nostro sistema immunitario come funzionare e nel mantenere intatte le nostre barriere fisiche. Tuttavia, la nostra visione di questo mondo è stata sfocata. Poiché la pelle ospita pochi microbi rispetto all'intestino, e poiché il DNA umano spesso annega il segnale microbico nei campioni, i ricercatori hanno faticato a costruire una biblioteca completa degli organismi che vivono lì. Senza un catalogo completo di chi è presente e di ciò che sono capaci di fare, è difficile capire come queste comunità mantengano la salute o come cambino quando la malattia colpisce.

Un team di ricercatori ha ora gettato una rete molto più ampia, creando una nuova e massiccia risorsa che illumina la diversità nascosta della pelle umana. Combinando migliaia di nuovi campioni raccolti in Cina con dati esistenti da tutto il mondo, hanno ricostruito quasi mezzo milione di genomi dai microbi della pelle. Questo sforzo, noto come Global Skin Metagenomic Data, rivela che la pelle è dimora di decine di migliaia di specie che gli scienziati non avevano mai visto prima. Lo studio non si limita a elencare questi nuovi organismi; mappa anche i loro progetti genetici per ipotizzare quali compiti svolgano. Utilizzando modelli computazionali avanzati per predire le forme tridimensionali di proteine che non sono mai state studiate, i ricercatori hanno scoperto un vasto serbatoio di funzioni biologiche che erano precedentemente invisibili. Questo lavoro trasforma il microbioma cutaneo da uno strato misterioso e scarsamente compreso in una mappa dettagliata ad alta risoluzione, offrendo una nuova base per comprendere come i nostri corpi interagiscono con il mondo microscopico.

Per costruire questa nuova mappa, i ricercatori hanno raccolto una quantità sbalorditiva di materiale genetico. Hanno sequenziato il DNA di 12.409 campioni di pelle raccolti da volontari in Cina, coprendo una vasta gamma di età, tipi di pelle e condizioni di salute, e hanno aggiunto altri 4.396 campioni da database pubblici mondiali. Hanno incluso anche quasi 3.000 genomi di batteri e funghi che erano stati coltivati in laboratorio. Usando potenti computer, hanno ricomposto questi frammenti di DNA in genomi completi, ricostruendo 452.397 distinti genomi microbici. Questo processo ha permesso loro di identificare 11.891 gruppi di batteri e archei, 165 gruppi di funghi e 87.770 gruppi di virus che rappresentano categorie a livello di specie. Forse più significativamente, quasi 43.000 di questi gruppi a livello di specie non avevano corrispondenze in alcun database esistente, il che significa che sono interamente nuovi alla scienza. Queste scoperte hanno ampliato l'albero genealogico noto dei microbi della pelle di quasi il 77 percento, rivelando che la diversità della vita sulla nostra pelle è molto più ricca di quanto precedentemente immaginato.

Lo studio ha scoperto che questi microbi appena scoperti non sono stranezze rare nascoste nell'ombra; sono diffusi e abbondanti. Vivono nelle aree oleose del viso, nelle zone secche di braccia e gambe e nelle pieghe umide del corpo. Sono presenti nella pelle sana e nella pelle affetta da varie condizioni, tra cui il lupus discoide eritematoso, il vitiligine, l'alopecia areata e l'alopecia androgenetica. Infatti, in alcuni stati patologici, questi microbi sconosciuti costituivano più di un quarto della comunità microbica totale. I ricercatori hanno anche esaminato cosa potrebbero fare questi nuovi organismi. Analizzando i loro geni, hanno scoperto che questi microbi non caratterizzati possiedono capacità uniche di elaborare nutrienti e produrre vitamine. Hanno anche scoperto che questi nuovi gruppi portano geni per la resistenza agli antibiotici, suggerendo che la pelle sia un serbatoio nascosto di resistenza ai farmaci che è stato trascurato perché gli scienziati cercavano solo batteri noti.

Oltre ai batteri, i ricercatori hanno scoperto un ricco mondo di virus e funghi che era stato ampiamente ignorato. Hanno identificato quasi 192.000 genomi virali, la maggior parte dei quali sono virus che infettano i batteri, noti come batteriofagi. Questi virus formano una complessa rete di relazioni con i loro ospiti batterici, agendo potenzialmente come un regolatore naturale che mantiene sotto controllo le popolazioni batteriche. Lo studio ha dimostrato che molti di questi virus sono specifici della pelle e non esistono nell'intestino o nell'oceano, evidenziando la natura unica dell'ambiente cutaneo. Allo stesso modo, la componente fungina della pelle, dominata da un genere chiamato Malassezia, è risultata contenere molti specie precedentemente sconosciute. I ricercatori hanno scoperto che diversi gruppi di funghi hanno capacità specializzate di creare composti chimici complessi, il che potrebbe aiutarli a sopravvivere nelle dure condizioni della pelle o a interagire con l'ospite umano in modi specifici.

Uno degli aspetti più innovativi di questa ricerca è stato il modo in cui il team ha affrontato il problema della "materia oscura funzionale". In biologia, gli scienziati spesso trovano geni che sembrano proteine ma non corrispondono a nessuna proteina nota nei loro database, lasciando il loro compito un mistero. Per risolvere questo, i ricercatori hanno predetto le strutture tridimensionali di oltre 1,7 miliardi di sequenze proteiche. Utilizzando l'intelligenza artificiale per modellare la forma di queste proteine, potevano inferire cosa potessero fare, anche senza conoscere la loro esatta sequenza genetica. Si sono concentrati su 79.434 gruppi di proteine che non avevano corrispondenze note. Per 1.018 di queste, hanno generato modelli 3D ad alta confidenza. Questi modelli hanno rivelato forme e tasche uniche che suggeriscono che le proteine agiscano come enzimi, probabilmente aiutando i microbi a scomporre i nutrienti o a trasportare molecole. Tra le scoperte vi erano nuovi tipi di enzimi che potrebbero potenzialmente essere utilizzati in medicina o nell'industria, trasformando una lista di codici genetici sconosciuti in una libreria di potenziali strumenti.

I ricercatori hanno anche tracciato le relazioni tra i virus e i batteri che essi infettano. Hanno scoperto che i virus tendono a colpire gruppi batterici specifici, con una forte preferenza per certi tipi di batteri che sono comuni sulla pelle. Ciò suggerisce che i virus svolgono un ruolo cruciale nel plasmare il microbioma cutaneo, forse impedendo a una singola specie batterica di prendere il sopravvento. Lo studio ha dimostrato che anche i nuovi batteri sconosciuti fanno parte di questa rete virale, indicando che questi attori nascosti sono integrati nell'ecosistema più ampio. Questa visione interconnessa aiuta a spiegare come il microbioma cutaneo rimanga stabile e resiliente, anche quando affronta cambiamenti nell'ambiente o nella salute dell'ospite.

Questa risorsa completa rappresenta un salto significativo nella nostra comprensione della pelle umana. Fornendo un catalogo dettagliato degli organismi che vivono su di noi e degli strumenti genetici che utilizzano, lo studio rimuove una barriera importante che ha rallentato il progresso nella ricerca sul microbioma cutaneo. Dimostra che la pelle è un ecosistema complesso, multi-regno, dove batteri, funghi, virus e archei interagiscono in modi intricati. La scoperta di migliaia di nuove specie e la mappatura delle loro potenziali funzioni suggeriscono che c'è ancora molto da imparare su come questi microbi influenzano la salute umana. I dati e gli strumenti creati da questo team sono ora disponibili ad altri scienziati, che possono usarli per esplorare nuove domande, sviluppare migliori diagnostica e, forse, trovare nuovi modi per trattare le malattie della pelle lavorando con, piuttosto che contro, gli abitanti naturali della nostra pelle.