Studio sulla DNA dei microbi: L'intelligenza artificiale aiuta a monitorare l'ambiente

Prof. Dr. Thorsten Stoeck (Foto: Koziel/TUK)

Le microrganismi svolgono una funzione chiave negli ecosistemi: reagiscono rapidamente ai cambiamenti nell'ambiente circostante. Tuttavia, poiché sono difficili da identificare, finora hanno avuto un ruolo secondario nel monitoraggio ambientale. In collaborazione con ricercatori dell'Università di Ginevra, il biologo di Kaiserslautern, Professor Dr. Thorsten Stoeck, ha sviluppato una nuova tecnica che utilizza il genoma dei microbi. Con l'aiuto di un'intelligenza artificiale, un algoritmo può utilizzare il materiale genetico di organismi sconosciuti per fare affermazioni sullo stato dell'ambiente. Il lavoro è stato pubblicato sulla rinomata rivista specializzata "Trends in Microbiology".

Troppi nitrati nelle nostre acque o l'acidificazione dei mari, che danneggia ad esempio le barriere coralline, sono solo due esempi di come l'uomo modifica l'ambiente. Per prevenire i danni il prima possibile, è importante monitorare lo stato degli ecosistemi. "Le microorganismi sono indicatori ideali perché reagiscono molto sensibilmente a tali cambiamenti", afferma il Professor Dr. Thorsten Stoeck, che fa ricerca sull'ecologia presso la TUK. Tuttavia, finora, identificarli richiedeva tempo e competenze specializzate.

Lo scorso anno, Stoeck, insieme ai suoi colleghi di Ginevra, ha sviluppato una procedura che permette di tenere più facilmente sotto controllo la qualità dell'acqua vicino a fattorie di salmone in Norvegia e in Scozia. "Utilizziamo sequenze di DNA dei microorganismi", spiega Stoeck. "Il loro materiale genetico è come un'impronta digitale, che può essere attribuita a una singola persona. I risultati sono disponibili già dopo poco tempo." I biologi stanno creando un database in cui sono memorizzate le impronte genetiche di questi organismi.

Tuttavia, quando analizzano i loro campioni, gli scienziati trovano ancora sequenze di DNA che non possono essere attribuite a nessuna specie conosciuta finora. "Non conosciamo ancora il loro ruolo negli ecosistemi. Per questo motivo, è stato difficile usarli come indicatori", spiega il Professor Stoeck.

Con il team di Tristan Cordier, primo autore dello studio attuale, e il Professor Jan Pawlowski dell'Università di Ginevra, Stoeck ha sviluppato un algoritmo che impara grazie all'intelligenza artificiale. Per alimentare il processo di calcolo, i biologi hanno usato campioni di DNA di vari microbi noti. "Conosciamo i loro ruoli negli ecosistemi e sappiamo se sono più indicatori di uno stato buono o cattivo", continua Stoeck. Con questi dati, i ricercatori hanno creato un sistema di riferimento. "In questo modo, l'algoritmo ha sviluppato un modello predittivo che include anche i dati di sequenza di microbi sconosciuti."

"Il metodo ci permette di monitorare un ecosistema senza dover prima identificare le specie di microbi presenti", riassume Stoeck i risultati. Inoltre, questa tecnica consente di scoprire nuove specie. Progressivamente, i ricercatori inseriranno anche i valori di nuovi campioni, affinando e rendendo sempre più preciso il loro modello.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista "Trends in Microbiology": "Embracing Environmental Genomics and Machine Learning for Routine Biomonitoring".