Per anni, il sequenziamento 16S ha svolto un ruolo importante nella ricerca sul microbioma. Ha aiutato gli scienziati a esplorare le comunità batteriche in modi che prima erano difficili, costosi o impossibili. Molte delle prime scoperte che collegavano il microbioma intestinale alla biologia umana si basavano su studi basati sul 16S¹.

Ma la scienza del microbioma si è evoluta rapidamente.

Le moderne tecnologie di sequenziamento consentono ora ai ricercatori di indagare il microbioma a un livello molto più profondo e, sempre più spesso, molti scienziati stanno superando gli approcci tradizionali basati sul 16S a favore di metodi metagenomici più ampi, come il sequenziamento shotgun.

Ciò non significa che il 16S sia “cattivo” o obsoleto. Ha ancora usi importanti nella ricerca. Ma quando gli scienziati desiderano una risoluzione più elevata, un’analisi più ampia dell’ecosistema e approfondimenti funzionali più dettagliati, le nuove tecnologie stanno diventando sempre più importanti.

Ecco cinque motivi principali per cui la ricerca moderna sul microbioma sta superando il sequenziamento 16S.

1. Il microbioma è molto più di semplici batteri

Uno dei maggiori limiti del sequenziamento 16S è che si concentra principalmente sui batteri.

Ma il microbioma intestinale è molto più complesso delle sole comunità batteriche².

All’interno dell’ecosistema intestinale, i ricercatori studiano anche:

• funghi
• virus
• batteriofagi
• archei
• interazioni microbiche tra questi gruppi

Il moderno sequenziamento metagenomico shotgun può analizzare porzioni molto più ampie dell’ecosistema microbico perché indaga il DNA totale all’interno di un campione, anziché solo regioni marcatori batteriche selezionate³.

Questa prospettiva più ampia sta diventando sempre più importante nella scienza del microbioma, in cui i ricercatori oggi considerano il microbioma come una rete ecologica interconnessa, anziché come un semplice catalogo batterico.

2. I ricercatori desiderano una risoluzione più elevata

Un altro limite importante di molti approcci basati sul 16S è la risoluzione tassonomica.

Il sequenziamento 16S identifica spesso i microrganismi principalmente a livello di genere. Ma specie diverse all’interno dello stesso genere possono comportarsi in modi molto diversi e possono possedere diverse proprietà metaboliche, ruoli ecologici o interazioni microbiche⁴.

Il moderno sequenziamento shotgun consente spesso una risoluzione più profonda, fino alla classificazione a livello di specie.

Questa risoluzione più elevata aiuta i ricercatori a comprendere meglio:

• la diversità microbica
• la composizione dell’ecosistema
• variazioni sottili all’interno delle comunità microbiche
• le interazioni tra microrganismi specifici

Man mano che i set di dati sul microbioma diventano più ampi e sofisticati, questo livello di dettaglio sta assumendo un valore sempre maggiore.

3. La ricerca moderna si concentra maggiormente sulla funzione

Uno dei cambiamenti più importanti nella scienza del microbioma è il passaggio da:
“Quali batteri sono presenti?”
a:
“Cosa può fare realmente il microbioma?”

È qui che la metagenomica shotgun diventa particolarmente potente.

Poiché vengono analizzate ampie porzioni di DNA microbico, i ricercatori possono indagare il potenziale genetico funzionale all’interno del microbioma⁵.

Ciò include percorsi legati a:

• metabolismo microbico
• produzione di acidi grassi a catena corta
• produzione di gas
• geni associati alla resistenza
• funzioni più ampie dell’ecosistema microbico

Questo non misura direttamente i metaboliti stessi, ma consente agli scienziati di studiare il potenziale genetico alla base delle funzioni microbiche.

Sempre più spesso, la ricerca moderna sul microbioma si concentra non solo sull’identità microbica, ma anche sull’attività microbica e sulla funzionalità dell’ecosistema.

4. L’intestino umano contiene milioni di geni microbici

Il microbioma umano contiene una quantità di materiale genetico enormemente superiore rispetto al genoma umano stesso⁶.

Questa consapevolezza ha cambiato radicalmente il modo in cui gli scienziati pensano all’ecosistema intestinale.

Gli approcci tradizionali basati sul 16S esaminano solo una piccola regione marcatoria batterica. La metagenomica shotgun, al contrario, può analizzare porzioni molto più ampie di informazioni genetiche microbiche.

Ciò consente ai ricercatori di indagare:

• una diversità microbica più ampia
• cataloghi di geni microbici
• la complessità dell’ecosistema
• geni associati alla resistenza
• relazioni evolutive microbiche

Man mano che le tecnologie di sequenziamento e la bioinformatica continuano a migliorare, la capacità di analizzare questi vasti set di dati microbici è diventata uno dei motori della ricerca moderna sul microbioma.

5. La scienza del microbioma sta diventando più orientata all’ecosistema

Forse il più grande cambiamento concettuale riguarda il modo in cui i ricercatori oggi considerano il microbioma stesso.

In passato, l’analisi del microbioma si concentrava spesso su singoli gruppi batterici isolati. Oggi, sempre più scienziati considerano il microbioma intestinale come un sistema ecologico dinamico⁷.

Dieta, stress, sonno, antibiotici, ambiente, biologia dell’ospite e interazioni microbiche influenzano continuamente il microbioma.

Questa prospettiva a livello di sistema richiede set di dati più ampi e approcci di sequenziamento più completi.

Questo è uno dei motivi per cui la metagenomica shotgun sta diventando sempre più importante:
permette ai ricercatori di studiare il microbioma come un ecosistema complesso, anziché come un’istantanea batterica limitata.

Ciò significa che il 16S non è più utile?

Affatto.

Il sequenziamento 16S rimane prezioso per:

• grandi studi di coorte
• progetti esplorativi a basso costo
• panorami ampi delle comunità batteriche
• alcune domande di ricerca ecologica

È ancora ampiamente utilizzato nella scienza del microbioma.

Ma man mano che i costi di sequenziamento diminuiscono e gli strumenti computazionali migliorano, la ricerca moderna sul microbioma si sta orientando sempre più verso approcci metagenomici più completi.

Il campo si sta evolvendo da semplici riepiloghi batterici a analisi più profonde a livello di ecosistema.

E questa transizione sta trasformando il modo in cui gli scienziati studiano il microbioma umano.

Il futuro della ricerca sul microbioma

Il campo del microbioma è ancora giovane. Molte domande rimangono senza risposta e i ricercatori continuano a perfezionare il modo in cui gli ecosistemi microbici vengono studiati e interpretati.

Ma una cosa sta diventando sempre più chiara:

La futura scienza del microbioma probabilmente diventerà:

• più ricca di dati
• più orientata all’ecosistema
• più orientata alla funzione
• computazionalmente più avanzata
• più ad alta risoluzione

Le moderne tecnologie di sequenziamento stanno aprendo modi completamente nuovi per esplorare il mondo microbico dentro di noi.

E stiamo ancora solo iniziando a comprenderne la complessità.

Scegliere la tecnologia giusta è importante

Ogni metodo di sequenziamento ha i suoi punti di forza e il sequenziamento 16S continua a svolgere un ruolo importante nella ricerca sul microbioma. Tuttavia, man mano che i ricercatori cercano approfondimenti più dettagliati sugli ecosistemi microbici, la metagenomica shotgun sta diventando l’approccio preferito per studiare il microbioma intestinale a una risoluzione più elevata e con una maggiore profondità funzionale.

Comprendere queste differenze aiuta ricercatori, professionisti sanitari e consumatori a prendere decisioni più informate, ad esempio quando devono scegliere la migliore analisi del microbioma intestinale.

Riferimenti scientifici

1. Johnson JS et al. Valutazione del sequenziamento del gene rRNA 16S per l’analisi del microbioma a livello di specie e ceppo. Nat Commun. 2019.
2. Huttenhower C et al. Struttura, funzione e diversità del microbioma umano sano. Nature. 2012.
3. Quince C et al. Metagenomica shotgun, dal campionamento all’analisi. Nat Biotechnol. 2017.
4. Almeida A et al. Un catalogo unificato di 204.938 genomi di riferimento del microbioma intestinale umano. Nat Biotechnol. 2021.
5. Lloyd-Price J et al. Multi-omica dell’ecosistema microbico intestinale nelle malattie infiammatorie intestinali. Nature. 2019.
6. Qin J et al. Un catalogo di geni microbici intestinali umani stabilito mediante sequenziamento metagenomico. Nature. 2010.
7. Knight R et al. Il microbioma e la biologia umana. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2017.