Nell’ultimo decennio, i dati di sequenziamento generati da grandi progetti di microbioma hanno mostrato che i taxa presentano una distribuzione geografica disomogenea, sollevando domande sulle dinamiche geospaziali che danno forma ai microbiomi naturali e sulla diffusione dei geni di resistenza antimicrobica. Per rispondere a queste domande è necessario distinguere tra microrganismi locali e non locali e identificare i siti di origine di questi ultimi. La previsione dei siti di origine e delle rotte migratorie del microbiota è stata immaginata per decenni, ma è stata ostacolata dalla mancanza di dati, strumenti e comprensione dei processi che regolano la biodiversità. Gli strumenti biogeografici più avanzati soffrono di una bassa risoluzione e non sono in grado di prevedere i modelli biogeografici a una scala rilevante per le applicazioni ecologiche, mediche o epidemiologiche.

Analizzando i microrganismi urbani, del suolo e marini, abbiamo scoperto che alcuni taxa presentano una composizione e un’abbondanza specifiche a livello regionale, suggerendo che possono essere utilizzati come biomarcatori biogeografici. Abbiamo sviluppato la struttura geografica della popolazione del microbioma, uno strumento basato sull’apprendimento automatico che utilizza le abbondanze relative delle sequenze microbiche per ottenere un sito di origine dei microrganismi su scala fine. La struttura geografica della popolazione del microbioma ha previsto la città di origine per il 92% dei campioni e la fonte all’interno della città per l’82% dei campioni, anche se spesso erano distanti solo poche centinaia di metri. La struttura geografica della popolazione del microbioma ha previsto anche i siti di campionamento del suolo e del mare, rispettivamente per l’86% e il 74% dei campioni. Abbiamo dimostrato che la struttura geografica della popolazione del microbioma differenzia i microrganismi locali da quelli non locali e l’abbiamo utilizzata per tracciare la diffusione globale dei geni della resistenza antimicrobica. La capacità della struttura geografica della popolazione del microbioma di localizzare i campioni in base al corpo idrico, al Paese, alla città e alle stazioni di transito apre nuove possibilità di tracciare i microbiomi e ha applicazioni in medicina legale, medicina ed epidemiologia.