La scarlattina prima di Colombo

Nel mese di giugno 2022, il biochimico boliviano Guido Valverde ha posato per una foto che immortala la realizzazione di un desiderio coltivato a lungo e l’inizio di una grande impresa. L’immagine è stata scattata in un deposito del Museo Nazionale di Archeologia (MUNARQ) a La Paz. Guido Valverde è in piedi davanti a una grande scaffalatura che arriva fino al soffitto, piena di scatole bianche: la collezione dei teschi del museo. Comprende oltre 500 resti e, oltre a essi, il MUNARQ possiede quasi 60 cadaveri completamente mummificati. La maggior parte di questi resti umani proviene dalle torri funerarie, le chullpas, dell’Altiplano boliviano – resti di una civiltà che ha preceduto l’Impero Inca. Si sa poco di queste persone e Valverde sperava da tempo di poter analizzare il DNA dei campioni. Nel 2022, assieme al  team dell’Istituto per lo studio delle mummie di Eurac Research, Valverde aveva ottenuto l’accesso a questa collezione antropologica unica nel suo genere. In quel giugno di quattro anni fa è iniziata la prima indagine bioarcheologica sistematica sulle mummie boliviane (vedi riquadro).

Il biochimico boliviano Guido Valverde in un magazzino del Museo nazionale di archeologia (MUNARQ) a La Paz. Sugli scaffali: la collezione di crani del museo

Credit: Eurac Research | JG.Estellano

“Abbiamo prelevato moltissimi campioni da questa splendida collezione. Di recente ho dato un’occhiata al mio foglio Excel: abbiamo materiale di oltre 100 individui, più di 300 campioni!” racconta Valverde durante una videochiamata dalla capitale boliviana Sucre, dove è ritornato dopo due anni trascorsi a Bolzano. “C’è di tutto: denti, ossa, tessuti molli, campioni di capelli, stomaco, contenuto gastrico, intestino – uno spettro molto ampio per ricavarne quante più informazioni possibili”. Sembra molto soddisfatto, e ne ha un buon motivo: in uno dei campioni, un dente proveniente da un cranio mummificato naturalmente, Valverde e i suoi collaboratori hanno individuato l’agente patogeno della scarlattina, lo Streptococcus pyogenes, e hanno ricostruito per la prima volta un genoma del batterio risalente a diversi secoli fa. L’articolo scientifico è stato appena pubblicato su Nature Communications, con Guido Valverde e il microbiologo Mohamed Sarhan di Eurac Research come primi autori.

Il risultato è entusiasmante per diversi motivi. Sebbene si tratti di un agente patogeno di grande rilevanza medica – storicamente la scarlattina era una delle principali cause di mortalità infantile – finora si sapeva poco sulla sua storia evolutiva. Come per altri agenti patogeni, si tendeva a ritenere che si fosse diffuso nel continente americano con gli europei. Ora è dimostrato che in realtà il batterio circolava già tra le popolazioni indigene del Sudamerica prima ancora che Cristoforo Colombo nascesse: la datazione al radiocarbonio ha dimostrato che il giovane a cui appartiene il dente visse tra il 1283 e il 1383, in un’epoca nota in archeologia come Tardo Intermedio (1100–1450 d.C.).

In questo dente di un giovane che visse circa 700 anni fa sull'Altiplano boliviano, il team di ricerca ha individuato lo Streptococcus pyogenes, l'agente patogeno responsabile della scarlattina.

Credit: Eurac Research | Guido Valverde

Lo studio è significativo anche perché dimostra il valore di un metodo di analisi del DNA antico (aDNA) che l’Istituto ha perfezionato negli anni e che, secondo il direttore dell’Istituto Frank Maixner, rappresenta per questo campo di ricerca “l’inizio di una nuova era”: l’assemblaggio de novo. In questo processo, un genoma viene ricomposto a partire da DNA altamente frammentato, senza un genoma di riferimento. “Si può paragonarlo alla ricostruzione di un puzzle senza conoscerne l’immagine sulla scatola”, spiega Sarhan riuscendo a far sembrare semplice quello che in realtà è un processo tecnicamente molto complesso, una combinazione di moderne tecniche di sequenziamento e metodi bioinformatici.

Nella ricerca sul DNA moderno, l’assemblaggio de novo è ormai uno standard, ma per l’analisi di genomi fortemente frammentati e danneggiati viene ancora utilizzato piuttosto raramente – “in questo campo siamo ancora dei pionieri”, afferma Sarhan. Eppure, il metodo presenta un grande vantaggio proprio per la ricostruzione di genomi antichi: “Non siamo influenzati dai riferimenti odierni – lavoriamo senza preconcetti. In questo modo siamo aperti a qualsiasi tipo di scoperta e possiamo individuare elementi davvero nuovi, comprese varianti genetiche che oggi potrebbero non esistere più”.

Dopo la scoperta in Bolivia, i ricercatori hanno cercato lo Streptococcus pyogenes in banche dati di DNA antico accessibili al pubblico. Hanno individuato il batterio in 35 campioni, tra cui quelli di individui vissuti in Europa circa 4000 anni fa, nonché una specie di Streptococcus strettamente imparentata in resti di gorilla africani risalenti a 200 anni fa. “L’agente patogeno era presente, ma non è stato identificato nei dati” afferma Sarhan.

Le analisi genetiche condotte dal team gettano ulteriore luce sul passato del batterio. Le analisi effettuate utilizzando il cosiddetto «orologio molecolare» – una datazione basata sulle mutazioni genetiche – suggeriscono che le linee evolutive della maggior parte degli attuali ceppi di Streptococcus pyogenes si siano ramificate circa 5000 anni fa: in un’epoca in cui gli esseri umani stavano diventando sempre più sedentari e vivevano in comunità più strette. Questo potrebbe aver favorito la propagazione e la diversificazione dell’agente patogeno, che si diffonde principalmente attraverso infezioni da goccioline e per contatto, spiega Maixner.

Diversi campioni prelevati dalle mummie del Museo nazionale di archeologia

Credit: Eurac Research | Juan Gabriel Estellano

Nel campione dentale, i ricercatori non avevano mirato alla caratterizzazione dello Streptococcus pyogenes. In casi del genere, la ricerca non fa parte del loro approccio: si limitano a osservare ciò che trovano. “Nell’analisi genetica delle mummie procediamo con un approccio molto ampio”, spiega Maixner. “Non analizziamo solo il patrimonio genetico umano, ma anche il DNA dei numerosi microrganismi presenti nei resti umani”.

Durante il prelievo dei campioni, il team di ricerca opera sempre adottando approcci il meno invasivi possibile. In questo caso, è stato selezionato un dente specifico poiché già parzialmente distaccato, al fine di ridurre ulteriormente l’impatto sul reperto. I denti, in particolare la loro porzione interna, rappresentano, insieme all’osso temporale del cranio, una delle migliori fonti di DNA ben conservato.
Lo Streptococcus pyogenes risultava particolarmente frequente; tuttavia, non è stata solo questa evidenza a orientare i ricercatori. Il batterio è infatti di grande interesse per la sua rilevanza clinica ancora oggi significativa. Negli ultimi anni, inoltre, si è registrato un aumento dei focolai di scarlattina a livello globale.

È emerso che il ceppo batterico, risalente ad almeno 700 anni fa, presentava notevoli somiglianze con i ceppi moderni. “Possedeva già le caratteristiche necessarie per causare malattie: includeva molti, anche se non tutti, i geni patogeni dei ceppi contemporanei di Streptococcus pyogenes”, spiega Maixner.

Il ceppo antico risultava particolarmente affine a quelli odierni responsabili principalmente di infezioni della gola. Sebbene non sia possibile affermarlo con certezza, è plausibile che il giovane individuo a cui apparteneva il dente abbia sofferto di mal di gola in qualche fase della sua vita. “È davvero sorprendente quante informazioni dettagliate si possano ottenere quando si dispone di un genoma di tale qualità”, afferma Valverde.

Il fatto che sia stato possibile ricostruire un genoma quasi completo è dovuto alle condizioni dell’Altiplano boliviano. L’altitudine compresa tra i 3500 e i 4000 metri, i venti freddi, l’aria secca: ciò che ha favorito la mummificazione dei corpi nelle chullpas ha anche rallentato il degrado del patrimonio genetico. “Questo è uno dei motivi principali del nostro successo”, afferma Valverde.

A molti anni dalla morte di un organismo, il suo DNA tende normalmente a frammentarsi in minuscoli segmenti. Nel caso dello Streptococcus pyogenes, invece, si sono conservate sequenze insolitamente lunghe. Questo ha facilitato il lavoro dei ricercatori e, al contempo, ha portato a una scoperta che, come afferma Maixner, “scuote le fondamenta della ricerca sul DNA antico”.

Poiché il materiale genetico antico si conserva generalmente sotto forma di frammenti molto brevi, nei laboratori di aDNA (ancient DNA) si era consolidata la convinzione che le sequenze lunghe non potessero essere di origine antica. “In generale, in presenza di sequenze più lunghe si sospetta immediatamente una contaminazione con materiale genetico recente, quindi si scartano”, spiega Sarhan. “Tuttavia, sulla base dei tipici cambiamenti chimici, siamo riusciti a dimostrare chiaramente che le sequenze più lunghe erano antiche quanto quelle brevi. E ci hanno fornito informazioni preziose”.

Il Museo nazionale di archeologia (MUNARQ) a La Paz

Credit: Courtesy of Guido Valverde | All rights reserved

Ora che è disponibile un genoma quasi completo del ceppo batterico antico, si aprono nuove e promettenti prospettive di ricerca. Sarebbe interessante confrontare il ceppo sudamericano con quelli antichi europei e africani, afferma Sarhan. “E in ogni caso vogliamo capire come l’agente patogeno sia giunto in Sudamerica”. Valverde vorrebbe sequenziare il batterio responsabile dei recenti focolai di scarlattina in Bolivia e confrontarlo con il ceppo antico. Per il momento, tuttavia, è ancora fortemente impegnato nell’analisi dei campioni del museo, che sta già portando alla luce ulteriori scoperte di grande interesse: “Abbiamo diversi progetti in corso…”, annuncia con evidente entusiasmo.

Il progetto MUMBO

---

Grazie a un accordo di cooperazione scientifica tra Eurac Research e il Ministero boliviano per le culture, la decolonizzazione e la depatriarcalizzazione, nel giugno 2022 è stato avviato uno studio pionieristico sulle mummie precolombiane. MUMBO è la prima ricerca bioarcheologica sistematica condotta sui quasi 50 individui completamente mummificati e sugli oltre 500 crani umani conservati presso il Museo nazionale di archeologia di La Paz. I preziosi reperti sono accuratamente catalogati e sottoposti ad analisi radiologiche, antropologiche e molecolari, così da ottenere informazioni sullo stile di vita, l'alimentazione e i quadri clinici dell'epoca precolombiana. Lo studio paleogenetico fornirà inoltre informazioni sulla diversità genetica delle prime popolazioni sudamericane. La squadra di Bolzano affianca inoltre il museo archeologico nella conservazione dei resti mummificati, elaborando consigli per garantire condizioni di conservazione adeguate sia nelle sale espositive sia nei depositi. Un aspetto importante del progetto è infine l’attuazione di linee guida etiche per lo studio e l’esposizione dei resti umani in Bolivia.