Nov 12, 2015
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Bioinformatica per tutti: alla scoperta del mondo dei microbi utilizzando il DNA

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Le sequenze di DNA

Nell’unità di apprendimento precedente “le sequenze di DNA sono stringhe di caratteri” abbiamo imparato che:

  • la sequenza del DNA di una cellula è necessaria e sufficiente per determina come funziona e come appare quella cellula. Cosa succede infatti se sintetizziamo il DNA di un certo organismo e lo infiliamo nel nucleo di una cellula privata del suo DNA? La seconda cellula a poco a poco diventa uguale all’organismo da cui abbiamo copiato il DNA, lo ha fatto Craig Venter e a questo link potete leggere la notizia riportata da Scientific American!  (“uguale all’organismo da cui abbiamo copiato il DNA” questa affermazione è vera QUASI del tutto.. – video sulle ultime frontiere dello studio del DNA: l’epigenetica)
  • la sequenza del DNA può essere rappresentata come una sequenza di lettere, ovvero un testo, che possiamo studiare e analizzare con l’aiuto dell’informatica.

indovinachi

Riprendiamo proprio dove ci eravamo lasciati facendo un gioco: indovina chi

che animale è?

 

Vi fornirò una sequenza di DNA, sarà come avere una carta coperta che rappresenta la persona o l’animale o il microbo che dovete indovinare. Facendo le giuste domande riuscirete ad indovinare che apparenza ha e come è fatto l’individuo nascosto. Immagino che abbiate già giocato ad indovina chi no? questa sarà la versione “zoo”, non è detto che chi si nasconde dietro la carta sia necessariamente un individuo del genere Homo, potrebbe appartenere a qualsiasi specie!

 

che animale è?

Eccovi la carta incognita da mettere in testa: sequenzaDNAignota.fasta

Ecco come facciamo passo per passo a indovinare di chi si tratta:

  • apriamo il file con la sequenza e leggiamo l’intestazione (vi ricordate l’intestazione?)
  • copiamo la sequenza e usiamo un algoritmo di allineamento chiamato “Blast” per confrontare la sequenza con la banca dati di sequenze note e raccogliere informazioni:
    • cliccate su questo link per accedere al programma blast on line
    • incollate la vostra sequenza nella finestra in alto”Enter accession number(s), gi(s), or FASTA sequence(s)”
    • quindi scegliete di cercare nella banca dati che contiene tutte le sequenze di nucloetidi (è l’impostazione standard, non occorre modificare niente)
    • cliccate infondo a sinistra sul bottone “BLAST” e attendete il risultato
  • ora leggiamo insieme il risultato del blast e cerchiamo di rispondere a queste domande:
    • c’è una sequenza identica alla nostra nella banca dati?
    • che funzione codifica il nostro gene?
    • qual’è il nome scientifico dell’organismo a cui appartiene?
    • questo organismo ha i baffi? e gli occhiali? è pelato?
    • qual è il suo nome comune?

Se il gioco vi è piaciuto potete ripeterlo con questa nuova carta, le procedure sono le stesse e queste saranno le domande:

  • c’è una sequenza identica alla nostra nella banca dati?
  • che funzione codifica il nostro gene?
  • a che classe di organismi appartiene il nostro organismo ignoto?
  • sapreste trovare qualche immagine degli organismo di questa classe in rete?

 

“L’impronta digitale”

fingerprint

Ognuno di noi ha un aspetto e un funzionamento molto complessi, ma abbiamo cercato un modo per identificare una persona senza doverla guardare proprio tutta, guardando solo un piccolo dettaglio che è unico per ciascuno di noi e pertanto ci identifica. Ad esempio l’impronta delle nostre dita sembra essere un dettaglio abbastanza unico, pertanto prendendo l’impronta digitale ad uno sconosciuto e confrontandola con le impronte presenti in una banca dati, possiamo dire se quell’individuo corrisponde ad una delle persone schedate ed eventualmente chi è, senza bisogno di prendere le misure di tutti i dettagli della sua intera persona.

Nello stesso modo ci siamo chiesti: è possibile leggere un solo pezzetto di DNA senza doverlo leggere proprio tutto, per poter dire, difronte ad un organismo sconosciuto, se lo abbiamo già incontrato e di chi si tratta?

La risposta è che è possibile e abbiamo trovato vari modi per farlo con gli individui della specie umana. Una delle tecniche più diffuse si chiama DNA fingerprinting

Ma proviamo a fare un passo indietro e proviamo a pensare insieme a che caratteristiche dovrebbe avere questo segmento di DNA se volessimo ad esempio identificare la specie.

Dovrà essere:

  • presente in tutti gli organismi
  • uguale fra individui della stessa specie
  • diverso fra organismi di specie diverse

La grande scoperta di Carl Woese!

filog1

treeoflife

Ora proviamo noi a sperimentare questo sistema di identificazione e a guardare le parentele

“Mi dia la sua impronta digitale se vuole superare il check-in”

Ci troviamo nell’ufficio controlli di un aeroporto e dobbiamo controllare il carico di un volo intercontinentale. Durante il periodo Natalizio un laboratorio di Padova spedisce ai colleghi di Sidney alcune piastre piene di microrganismi colorati.

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Non vogliamo assolutamente che specie di batteri infettivi e pericolosi per la salute vengano spostati da un continente all’altro, pertanto analizziamo la sequenze dei geni per gli RNA Ribosomali 16S di ciascuno degli organismi presenti nelle piastre prima di autorizzare l’imbarco.

Questo è il file con le sequenze che il nostro laboratorio di controlli ha prodotto. Incollate nella pagina di Blast una per una le singole sequenze, scoprite se corrispondono a organismi noti e quindi determinate, aiutandovi con una ricerca nella rete, se si tratta di organismi patogeni o infettivi o comunque pericolosi per la salute dell’uomo.

Qual’è la lista degli organismi strisciati sulle piastre?

Che cosa “fanno” questi organismi?

Secondo le vostre analisi, possiamo imbarcare la spedizione?

 

Sequenziatori: i nuovi microscopi

Leggere il DNA, abbiamo visto, ci dà molte informazioni:

  • dice tutto quello che fa una cellula
  • dice come appare quella cellula
  • dice chi è l’organismo, lo identifica

Se vogliamo conoscere i segreti di un organismo non serve quindi spezzettarlo e guardare ogni suo frammento sotto la lente di un microscopio, ci basta un po’ del suo DNA e possiamo leggere la sequenza per raccogliere molte informazioni!

Inoltre se siamo in luogo e vogliamo sapere chi c’è, beh gli organismi grandi li vediamo con i nostri occhi, ma quelli piccoli? o ci portiamo un microscopio, oppure raccogliamo un campione e leggiamo tutto il DNA che c’è dentro. Potremo usare l’RNA ribosomale come “impronta digitale” per fare l’elenco dei presenti, oppure leggere tutto e scoprire che cosa sono capaci di fare quei microrganismi presenti, che programma hanno!

Vi viene in mente qualche luogo dove andreste a rovistare?

Beh agli scienziati ne sono venuti in mente davvero tanti, ora ne vedremo insieme qualcuno e che cosa hanno scoperto!

 

 

Applicazioni: alla scoperta di un mondo microscopico invisibile o poco visibile ai nostri occhimetagenomics1

Ora facciamo noi qualche studio da bioinformatici. Sul portale “metagenomics” dell’Istituto Europeo di Bioinformatica sono accessibili i dati originali di molti diversi studi e sono anche disponibili dei programmi di analisi on line.

Diamo un’occhiata insieme:

 

 

 

Screen Shot 2015-11-12 at 15.21.11

Cosa succede ai nostri inquilini intestinali quando prendiamo gli antibiotici?

Come abbiamo appena visto le superfici interne ed esterne del nostro corpo sono popolate da microrganismi che contribuiscono alle nostre funzionalità corporee. In qualche caso però anche i batteri patogeni, che normalmente non risiedono nel nostro corpo, si uniscono alla festa e iniziamo a star male. Il modo migliore che abbiamo per curarci è assumere delle sostanze cha hanno un effetto nocivo sulle cellule batteriche ma nessuno o trascurabili effetti sulle nostre. Perfetto per noi, ma cosa ne è dei nostri ospiti abituali, i batteri dell’intestino e della pelle?

Alcuni scienziati hanno raccolto campioni dal tratto digerente di individui sani che non assumevano antibiotici e quindi li hanno raccolti di nuovo diversi giorni dopo l’assunzione di un particolare tipo di antibiotici. I dati sono disponibili nel portale che abbiamo appena visto insieme.

Al centro della pagina a sinistra c’è un breve elenco dei progetti divisi per categoria, cliccate su “gut

apparirà una lista degli effettivi progetti riguardanti il tratto digerente per cui sono disponibili i dati, scegliete “Beta Lactam Antibiotics and Human Gut Microbiota

La pagina del progetto a cui avete appena avuto accesso offre una breve descrizione dell’esperimento e delle principali conclusioni, subito sotto troviamo la tabella dei dati sperimentali. Proviamo a guardare insieme alcuni dati:

  • nella riga “Human gut metagenome, 0 days after antibiotics” guardiamo prima la pagina corrispondente ai dati sperimentali
  • sempre nella riga “Human gut metagenome, 0 days after antibiotics” guardiamo ora la sezione “Taxonomy” di uno dei due esperimenti “Metagenomic”
  • dopo aver esaminato in dettaglio questi dati andiamo ora a guardare la stessa sezione “Taxonomy” di un esperimento “Metagenomics” fatto 6 giorni dopo la somministrazione degli antibiotici

Sapreste dirmi se notate differenze e se si quali?

  • guardate ora la sezione “Taxonomy” di uno degli altri giorni a scelta

Confrontatevi fra di voi raccontandovi e discutendo le vostre osservazioni

Ora è tempo di utilizzare un nuovo strumento: proviamo a comparare nel nostro esperimento quali funzioni vengono attivamente espresse in varie condizioni:

  • nella barra in alto delle pagine del portale che state utilizzando, una delle voci è “Comparison Tool“, cliccate per accedere a questa sezione
  • ora selezionate gli esperimenti da comparare. Scegliete dal menu a sinistra il nome del progetto”Beta Lactam Antibiotics and Human Gut Microbiota”
  • Nella finestra a destra potete ora scegliere i due esperimenti “metatranscriptome” fatti al tempo zero e i due fatti dopo 6 giorni dalla somministrazione dall’antibiotico
  • cliccate in basso al centro il bottone blu con scritto “compare”

Osservate delle differenze? Quali?

Potete mettere i risultati di questa comparazione in relazione con i risultati delle comparazioni che abbiamo fatto in precedenza, quando abbiamo guardato quali batteri erano presenti al tempo 0 e dopo 6 giorni?

Mondo virtuale o mondo reale?

Se pensate che quello che abbiamo fatto in questa sezione sia un gioco, voglio raccontarvi una storia. In alcuni casi in ospedale le persone particolarmente debilitate presentano infezioni batteriche che possono solo essere sconfitte con tanti diversi antibiotici, con una cura ad ampio spettro. In questi casi la gran parte dei nostri abituali inquilini intestinali muore, lasciando così crescere e proliferare  pochi batteri resistenti agli antibiotici. L’unico modo che conosciamo al momento per ripristinare una generale condizione di salute e quello di far ricrescere i nostri inquilini, e uno dei modi beh.. è effettuare un trapianto di feci da una persona sana, che serva come inoculo!

Microbioma intestinale e obesità

Da tempo è stata avanzata l’ipotesi che uno dei fattori che contribuisce ad originare o a precipitare una situazione di obesità sia la composizione delle popolazioni batteriche intestinali. Se cercate bene fra gli esperimenti riguardanti i microbiomi del tratto digestivo ne troverete uno che mete a confronto i microbiomi di soggetti magri con qulli di soggetti obesi. Trovatelo nella lista e cliccate per accedere ai dati (in caso non foste riusciti questo è il link corretto)

Dopo aver letto l’overview selezionate “Analysis summary

Cliccate su Taxonomic assignments (TSV) per scaricare i dati sul vostro computer.

Ora aprite i files come fogli di calcolo (ad esempio utilizzando Excel)

Colorate tutti i campioni degli obesi di un colore e dei magri in un’altro oppure rinominatele. Ordinando le colonne o realizzando dei grafici travate le caratteristiche predominante che accomunano ciascuna categoria ma la differenziano dall’altra.

Aperta la discussione: abbiamo in questo esperimento evidenze di differenze rilevanti fa soggetti obesi e magri per quanto riguarda il microbioma intestinale? Se si, quali?

Suoli, un mistero ancora in gran parte da svelare

Sulla base di quanto abbiamo imparato nelle sezioni precedenti vi invito a rispondere a questa sfida:

Nella raccolta dei dati sperimentali sui microbiomi è presente un esperimento che compara suoli acidi e suoli basici. Come sapete su questi tipi di suoli crescono colture molto diverse.. sapreste dirmi, confrontando la “taxonomy” di vari campioni e usando lo strumento “comparison”,

  1. Se nei suoli acidi e nei suoli basici vivono gli stessi organismi
  2. Se ci sono categorie di funzioni biologiche più rappresentate ale livello di geni nell’uno o nell’altro campione?

 Vita in Ambienti Estremi come non la avete mai vista prima!

Fino a qualche anno fa pensavamo che nei deserti salini non ci fosse vita. Molti dei batteri che conosciamo muoiono non appena vengono trasferiti in un ambiente simile. Quando abbiamo iniziato a guardare a questo ambiente con la nuova lente di ingrandimento della metagenomica abbiamo scoperto che il deserto non èera poi così deserto come sembrava.. provate a dare un’occhiata voi stessi: https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/projects/ERP001068 

 

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Giovani · isiss Dal Cero · Ragazzi · Tutto

Comments to Bioinformatica per tutti: alla scoperta del mondo dei microbi utilizzando il DNA

  • easy

    Filippo 26 Novembre 2015 16:19 Rispondi
  • bello veramente

    Francesco 26 Novembre 2015 16:21 Rispondi

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