I batteri nei biofilm possono essere esclusi dallo scambio di amminoacidi

I batteri possono  in determinate circostanze, essere spazialmente esclusi dallo scambio di amminoacidi

L'esperimento (colonie batteriche e misure di aminoacidi mediante l'imaging della spettrometria di massa) corrisponde a simulazioni al computer (a destra): batteri cooperativi sono indicati in rosso, i batteri non cooperativi sono verdi. I batteri opportunisti possono esistere solo sulla frangia di colonie batteriche cooperative. Le caselle bianche mostrano le concentrazioni di aminoacidi, che sono alte in prossimità dei batteri cooperativi (sopra). Al contrario, in sostanza senza aminoacidi erano rilevabili nelle aree circostanti dei batteri non cooperativi (in basso). S. Pande _F. Kaftan, MPI di ecologia chimica, S. Lang, Università Friedrich Schiller di Jena

Una nuova ricerca dimostra che i batteri, che reciprocamente si scambiano aminoacidi, stabilizzano la loro partnership su superfici bidimensionali e limitano l'accesso dei batteri che non hanno collaborato alle sostanze nutritive scambiate.

Nelle comunità microbiche naturali, diverse specie batteriche spesso scambiano sostanze nutritive attraverso il rilascio di aminoacidi e vitamine nel loro ambiente di crescita, alimentando così altre cellule batteriche. Anche se i nutrienti rilasciati sono energeticamente costosi da produrre, i batteri beneficiano di loro nutrienti  che i partner batterici forniscono in cambio. Pertanto, questo processo è uno scambio cooperativo di metaboliti. Gli scienziati dell'Istituto Max Planck di ecologia chimica e l'Università Friedrich Schiller di Jena hanno dimostrato che i batteri, che non contribuiscono attivamente al metabolita della produzione, possono essere esclusi dai benefici cooperativi. Il team di ricerca ha dimostrato che le interazioni di cross-alimentazione cooperativa, che crescono su superfici bidimensionali sono protette da essere sfruttati da opportunisti, cioè dai batteri che non hanno collaborato. In queste condizioni, i batteri non cooperanti sono spazialmente esclusi dagli amminoacidi scambiati. Questo effetto protettivo stabilizza probabilmente cooperative interazioni tra alimentazione nel lungo periodo.

Il gruppo di ricerca "Ecologia Sperimentale e Evolution" diretto da Christian Kost sta indagando come le interazioni cooperative tra gli organismi si sono evoluti. In questo contesto, gli scienziati studiano un particolare tipo di divisione del lavoro che è molto comune in natura, vale a dire il reciproco scambio di nutrienti tra batteri unicellulari. Per questi minuscoli organismi è spesso vantaggioso dividere il lavoro di alcuni processi metabolici, invece di compiere tutte le funzioni biochimiche autonomamente. I batteri che s’impegnano in questa cooperativa scambio di nutrienti possono risparmiare una notevole quantità di energia.

Infatti, in uno studio precedente, è stato già dimostrato che questa divisione di lavoro metabolico può influenzare positivamente la crescita batterica. Nel nuovo studio, si è affrontata la questione di come queste interazioni cooperative possono persistere se i batteri non hanno collaborato, consumano aminoacidi senza fornire nutrienti in cambio. Lo svantaggio evolutivo che si traduce per le cellule cooperative potrebbe portare a un collasso dell’interazione cross-alimentazione.

Per verificare sperimentalmente questa possibilità, gli scienziati hanno monitorato culture di cooperazione e batteri che non hanno collaborato. Per questo, hanno geneticamente reso "cooperatori" due specie batteriche che hanno rilasciato una maggiore quantità di alcuni aminoacidi nel loro ambiente. "È un dato di fatto, che i non collaboratori , -ha detto Kost -, sintetizzando i risultati degli esperimenti- sono cresciuti meglio dei collaboratori, in un mezzo liquido ben miscelato, perché in queste condizioni, hanno avuto un accesso illimitato agli aminoacidi nel mezzo. La loro crescita, tuttavia, è notevolmente ridotta volta disposta su una superficie bidimensionale ". Un'analisi più approfondita ha rivelato che i batteri non collaboranti potevano esistere solo nella frangia di colonie costituite da batteri cooperanti.

Per il loro studio gli scienziati hanno combinato metodi e tecniche diverse. La base formata un nuovo approccio di ricerca chiamato "ecologia sintetica", in cui certe mutazioni sono razionalmente introdotte in genomi batterici. I mutanti batterici ottenuti sono poi innestati in una co-coltura e le loro interazioni ecologiche analizzate. In parallelo, i colleghi presso l'Università Friedrich Schiller del Dipartimento di bioinformatica sviluppato modelli informatici per simulare queste interazioni. Infine, analisi chimiche, utilizzando l'imaging della spettrometria di massa sono stati determinanti per la visualizzazione dei metaboliti batterici. Solo la combinazione di metodi microbiologici con approcci chimici-analitici e simulazioni al computer hanno permesso agli scienziati di comprendere e spiegare questo fenomeno.

"Il fatto che un principio così semplice, -afferma Christian Kost - può effettivamente stabilizzare un’interazione così complessa suggerisce che fenomeni simili possono svolgere un ruolo importante nelle comunità batteriche naturali". Dopo tutto, i batteri si presentano principalmente nei cosiddetti biofilm - sono strati superficiali melma-collegati che consistono di molte specie batteriche. Esempi noti sono i batteri che causano la placca dentale o comunità batteriche che sono utilizzati negli impianti di depurazione. Inoltre, i biofilm sono molto importanti per la ricerca medica: svolgono non solo un ruolo importante per molte malattie infettive, proteggendo i batteri patogeni da antibiotici o risposte immunitarie dei pazienti, ma sono anche molto problematica quando  la colonizzazione e la diffusione per esempio,  è presente, sulle superfici di protesi mediche.

Questo nuovo studio ha chiarito che i batteri collaboranti formano gruppi di cellule e in tal modo escludono i batteri non collaboranti dalla loro comunità. "L'importanza di questo meccanismo è dovuto al fatto che non complicato , -spiega Kost - o nella condizione appena evoluti, quali il riconoscimento dei potenziali partner di cooperazione, deve essere soddisfatta per stabilizzare efficacemente questa collaborazione a lungo termine. Due ceppi batterici cooperanti e una superficie bidimensionale sono sufficienti perchè si verifichi questo effetto protettivo ".

Lo studio solleva molte nuove questioni interessanti che s’ intendono affrontare in futuro. Ad esempio, sono interessanti in se o non effetti sinergici simili si verificano quando sono coinvolti più di due partner batterici. Nei loro habitat naturali, è probabile che più di due specie batteriche partecipino a tali interazioni cooperative, portando a reti d’interazione piuttosto complesse. Inoltre, mutanti batterici aminoacidi che producono acidi sono stati generati sinteticamente  per questo studio . Se anche evoluti naturalmente i "cooperatori"  si verificano in un habitat come uno spettacolare terreno dinamico simile, è un fattore che resta da verificare. Dato che i batteri spesso si verificano nei biofilm,  la cross-alimentazione cooperativa è probabilmente molto più diffusa di quanto si pensasse. Comprendere i fattori e i meccanismi che promuovono o inibiscono la crescita batterica potrebbe quindi fornire indizi importanti su come combattere i batteri nocivi o utilizzare meglio quelli benefici.