MICROBIOME IMMUNITY PROJECT (Attivo)
Ognuno di noi ha circa 30 miliardi di batteri che vivono nel e sul nostro corpo: questi batteri, la maggior parte dei quali vive nel sistema digestivo, sono parte di un sistema chiamato microbioma umano: larga parte di questi batteri sono innocui, se non benefici. D’altro canto altri sono coinvolti in malattie come il diabete di tipo1, la malattia di Crohn e le coliti ulcerose.
I recenti miglioramenti delle tecnologie hanno permesso agli scienziati di esplorare il microbioma in dettaglio per la prima volta: come gli scienziati acquisiscono una migliore comprensione del ruolo del microbioma nello sviluppo delle malattie, così possono essere in grado di trovare migliori diagnosi e trattamenti.
Problema da affrontare
Per comprendere meglio il ruolo svolto dai vari batteri nel microbioma, gli scienziati hanno bisogno di studiare le proteine prodotte da questi batteri, le quali sono codificate nel loro genoma. Il primo passo è determinare la struttura fisica (forma) delle proteine codificate da ogni gene dei batteri: questo è molto importante perché la struttura fisica di una proteina determina la sua funzione.
Una volta determinate le funzioni di una proteina, gli scienziati potranno esplorare il modo in cui le proteine dei batteri interagiscono le une con le altre e determinare quale proteina gioca un ruolo chiave nello sviluppo delle malattie. Il progetto sarà inizialmente focalizzato sui geni trovati nel microbioma dell’intestino umano e sulle malattie che hanno già dimostrato essere collegate con questi batteri.
Le dimensioni di questa ricerca sono enorme: il microbioma contiene circa 3 milioni di singoli geni batterici (per intenderci, il corpo umano ha circa 20.000 geni). Studiare le proteine corrispondenti ad ognuno di questi geni sarebbe un lavoro monumentale, praticamente impossibile in laboratorio: per questo motivo la stragrande maggioranza di queste proteine non è mai stata esplorata.
Alcuni dei microbiomi conosciuti
Se utilizzando le tradizionali tecniche di laboratorio le dimensioni del problema lo rendo non affrontabile, i metodi computazionali possono essere usati per prevedere la struttura delle proteine. D’altro canto, seguire questa strada richiede una potenza computazionale significativamente più grande di quella mediamente a disposizione dei ricercatori.
World Community Grid risponde a questa esigenza sfruttando la potenza di calcolo donata dai volontari di tutto il mondo.
Soluzione Proposta
Il “Microbiome Immunity Project” sta usando la potenza di WCG per accellerare questa fase iniziale riguardante la predizione delle strutture proteiche del microbioma: nello specifico, i volontari WCG stanno usando i loro computer per simulare milioni di esperimenti virtuali, ciascuno a predirre la struttura di una proteina.
I dati risultanti saranno analizzati dai ricercatori per trovare la struttura più probabile per ciascuna delle proteine studiate. Il team di ricerca renderà questi dati pubblicamente accessibili ad altri scienziati, accellerando il progresso delle conoscenze in questa importante area di ricerca.
A partire dal 2014, si stima che tra i 19 e i 39 milioni di persone abbiano il diabete di tipo 1 (T1D). I risultati del T1D a carico del sistema immunitario di un paziente sono la distruzione delle cellule produttrici di insulina del pancreas. Quando queste cellule sono danneggiate e smettono di produrre insulina, troppo glucosio (zucchero) rimane nel flusso sanguigno, dove può danneggiare gli organi e causare complicazioni pericolose per la vita, tra cui insufficienza renale e malattie cardiovascolari.
Il T1D inizia tipicamente nell'infanzia, sebbene possa iniziare più tardi, e il suo esordio è preceduto da una diminuzione della diversità microbica intestinale e da un aumento delle specie microbiche associate all'infiammazione. I ricercatori hanno scoperto che l'esposizione precoce a specifici batteri può aiutare (od ostacolare) la capacità del sistema immunitario di imparare a riconoscere e sviluppare adeguatamente anticorpi contro agenti estranei piuttosto che sul proprio corpo, potenzialmente cambiando il rischio di sviluppare il T1D.
La malattia di Crohn e la colite ulcerosa sono condizioni croniche che colpiscono milioni di persone in tutto il mondo, con una prevalenza tra le 120 e le 500 persone su 100.000 che soffrono di una di queste malattie in varie aree del globo. Queste malattie sono spesso diagnosticate durante l’adolescenza e sono caratterizzate da un'infiammazione cronica nel tratto digestivo, che spesso porta a complicazioni debilitanti.
Entrambe le malattie sono legate a degli squilibri microbici nell'intestino, compresi cambiamenti nei batteri associati al mantenimento di un corretto equilibrio delle cellule immunitarie regolatrici e della funzione della barriera mucosa (che aiuta a proteggere le cellule interne da un ambiente a volte ostile al di fuori delle cellule).
D’altro canto, però, il meccanismo preciso di come questa comunità microbiotica interagisca con le cellule ospiti per mediare la malattia è ancora sconosciuto.
Microbiome Immunity Project
Il progetto MIP affronterà questo problema utilizzando il folding proteico computerizzato, un processo attraverso cui i computers simulano come la sequenza ad una dimensione (sequenza genetica) di una proteina ripieghi nella sua struttura finale tridimensionale (per maggiori informazioni, vedere il progetto Human Proteome Folding): conoscere le strutture delle proteine aiuta i ricercatori nella previsione delle funzioni che le proteine avranno.
Ancorchè efficaci, le simulazioni di ripiegamento proteico richiedono risorse computazionali ingenti a cui, spesso, i ricercatori non hanno accesso. Il team di ricercatori del progetto “Microbiome Immunity Project” stanno arruolando, quindi, i volontari di WCG, che faranno girare queste simulazioni sui loro computer.
Le simulazioni sono generate utilizzando un software chiamato Rosetta, che è già stato usato dalla comunità WCG per il progetto “Human Proteome Folding” ed è utilizzato per una varietà di altre ricerche come la resistenza agli antibiotici, la parassitologia e la genomica dei tumori. Rosetta è sviluppato dal David Baker’s lab all’ Università di Washington, con collaboratori in varie istituzioni accademiche inclusa l’Università di New York. Questo software è particularmente efficace nel prevedere le strutture di proteine non ancora studiate.
Le comunità del microbioma contengono una vasta biodiversità e contengono diverse proteine che hanno una importante distanza evolutiva (con relazioni molto distanti) rispetto proteine note di organismi già studiati. Ogni somiglianza strutturale con proteine già note è impossibile da stabilire semplicemente analizzando la struttura primaria(sequenza dei geni), ma può essere rilevata una volta che la struttura della proteina viene predetta utilizzando tool come Rosetta.
La prima fase del progetto punterà a predirre strutture proteiche per circa 3 milioni di proteine codificate dai geni collettivi di tutti i batteri del microbioma umano: avere queste informazioni strutturale permetterà successivamente ai ricercatori di fare esperimenti di docking proteina-proteina per capire meglio le interazioni tra queste. Il lavoro successivo, quindi, sarà identificare quali proteina siano maggiormente coinvolte nello sviluppare (o inibire) processi legati alle malattie. Questo porterà ad esperimenti di docking per trovare candidati alla droga che possano controllare quelle proteine e le loro interazioni. Potenzialmente, questo può portare a nuovi trattamenti per le molte malattie associate al microbioma umano.
Obbiettivi del progetto
Gli obbiettivi per il progetto MIP sono:
* Utilizzare World Community Grid per generare un set di strutture proteiche previste dell’intero microbioma umano, contenete 3 milioni di geni.
* Condividere i risultati con altri scienziati in tutto il mondo per facilitare la ricerca su malattie chem il diabete di tipo 1, la malattia di Chron, le coliti ulcerose ed altre patologie.