Introduzione
I batteri non organizzano cene né raccontano barzellette, ma sono socievoli a modo loro. Quando la presenza di cibo darà loro l’opportunità di crescere, riprodursi ed evolversi, formeranno rapidamente, anche con entusiasmo, comunità. Come una città portuale che sorge lungo un corso d’acqua, una comunità diversificata di batteri e altri microbi riconoscerà una buona situazione per la crescita e si svilupperà.
Ogni città batterica ha una storia di origine. Una vasca di vino che fermenta per mesi, un biofilm nei polmoni di un paziente affetto da fibrosi cistica e una sorgente termale ricca di zolfo, tutto è iniziato con una serie di cellule fondatrici che hanno proceduto a formare una robusta rete di specie interagenti. Queste comunità possono svolgere funzioni biochimiche che nessuna singola specie può svolgere da sola. Ci vuole un quorum di lattococco ed Streptococcus ceppi che lavorano insieme per dare formaggio cheddar la sua consistenza e il sapore. Possono verificarsi diverse combinazioni di microbiota intestinale migliorare o smussare l'efficacia di una pillola.
Tuttavia, non esistono regole ovvie per spiegare come si assembla una comunità batterica o perché determinate specie prosperano. La maggior parte dei biologi, quando si trovano a dover descrivere una comunità di organismi, catalogano l'elenco delle specie presenti. Ma il numero di specie batteriche è così vasto, la loro durata di vita così breve e le differenze tra due specie qualsiasi così minime che i nomi delle specie non forniscono necessariamente informazioni utili.
Ecco perché un gruppo di fisici diventati microbiologi sta cercando di utilizzare tecniche di sequenziamento del genoma su vasta scala per scoprire eventuali regole universali che potrebbero governare le comunità batteriche: un approccio basato sui big data ai microbi. Invece di chiamare le specie per nome, si stanno concentrando su ciò che fanno gli organismi, con l’obiettivo di riconoscere quali ruoli sono essenziali all’interno di una determinata comunità.
"C'è una ridondanza - ad esempio, due specie possono svolgere la stessa funzione - e la stessa specie può svolgere funzioni diverse a seconda se si cambia l'ambiente", ha detto Otto Cordero, un microbiologo del Massachusetts Institute of Technology. “La tassonomia non è informativa quanto la funzione.”
L’anno scorso nel laboratorio di Cordero, ricerca guidata dal microbiologo Matt Gralka identificato una serie di funzioni microbiche che potrebbero essere previste senza informazioni sulle specie. Dopo aver caratterizzato il metabolismo di 186 diversi ceppi batterici raccolti nell’Oceano Atlantico, ha scoperto di poter prevedere le preferenze alimentari di base di un dato microbo basandosi solo sul suo genoma.
Introduzione
Questo modello consente ai ricercatori di bypassare le sequenze genetiche coinvolte nella scomposizione di una fonte di cibo o di un'altra. Il team di Gralka ha scoperto che potevano predire il cibo preferito semplicemente misurando la composizione molecolare del genoma. I risultati sono stati pubblicati in Natura Microbiologia.
Mentre il campo è agli inizi, gli ecologisti microbici sono alla ricerca di modi per valutare e descrivere rapidamente le comunità microbiche presenti in natura, sia in un ambiente selvaggio che in un ospedale. Sviluppando una teoria dell’assemblaggio microbico, sperano di poter imparare a vedere le ecologie microscopiche, in gran parte invisibili e in rapido cambiamento, che si dispiegano intorno a noi.
Un campo senza teoria
Per secoli la microbiologia è stata limitata dalla capacità degli scienziati di vedere ciò che avevano di fronte. Anche agli inizi degli anni 2000, se un microbiologo versava una comunità batterica su una capsula di Petri, era un compito colossale identificare le diverse specie, sottospecie e ceppi al suo interno. C’erano troppi organismi mescolati insieme, che diminuivano e fluivano nel tempo man mano che le fonti di cibo disponibili cambiavano e le specie vivevano e morivano. Gli scienziati potrebbero fare poco più che identificare le singole colonie una alla volta in base alla forma, al colore, alla morfologia e ai requisiti nutrizionali.
Fino ad anni recenti, questo lasciava il campo con poche teorie che definissero per spiegare come si assemblano i microbiomi e senza assiomi robusti per interpretare i risultati sperimentali. Nel 2007, un gruppo di microbiologi ha scritto Nature Reviews Microbiology che questa assenza di teoria derivava sia dalla mancanza di dati che dall’incapacità a livello generale di applicare la teoria ecologica al mondo microscopico. Senza teoria, un campo scientifico non ha struttura, forma e potere predittivo, sostenevano. Un ecologista microbico potrebbe fare qualsiasi osservazione su una comunità; senza una teoria che ne spieghi l’importanza, tutto potrebbe essere vero.
"A volte ci lamentiamo che le cose non sono sorprendenti nell'ecologia microbica", ha detto Immagine segnaposto Alvaro Sanchez, ecologo microbico presso l'Istituto di Biologia Funzionale e Genomica, un istituto congiunto del Consiglio Nazionale delle Ricerche spagnolo e dell'Università di Salamanca. “Non abbiamo precedenti forti. Non abbiamo una teoria predittiva, quindi nulla è sorprendente”.
Nuovi strumenti genetici, tuttavia, hanno portato a nuovi modi di descrivere le comunità microbiche. Il sequenziamento di Sanger, che per decenni è stato il metodo più veloce per il sequenziamento dei geni, era in grado di identificare i microbi solo uno per uno. Poi, a metà degli anni 2000, è diventata disponibile la tecnologia di sequenziamento ad alto rendimento e negli anni 2010 è diventata ragionevolmente conveniente. I microbiologi potevano identificare le specie in base al DNA disponibile nel campione.
Gli ecologisti microbici si sono scatenati. "Le persone stavano sequenziando tutto", ha detto Glen D'Souza, ecologista microbico presso il Politecnico federale di Zurigo. “Il campo era dominato dalla descrizione di chi era presente: questo bug era in questo ambiente; questo bug era in quell'ambiente.
Introduzione
All’improvviso, un eccesso di dati ha rivelato una diversità microbica fino ad allora sconosciuta. Nel 2009 erano stati sequenziati completamente meno di 1,000 genomi batterici. Nel 2014 c'erano più di 30,000. Da allora questa cifra è cresciuta a dismisura: alla fine del 2023 c’erano 567,228 genomi batterici completi, facilmente sfogliabile e disponibile per riferimenti incrociati. Oggi i batteri rappresentano quasi l’80% di tutti i dati genomici disponibili.
"La gente non aveva idea di quante specie ci sarebbero state", ha detto Gralka, che ora gestisce il suo laboratorio presso la VU University di Amsterdam. "Non puoi distinguerli molto bene al microscopio."
Tuttavia, l’identificazione delle singole specie batteriche in una comunità non può dire molto agli scienziati. I loro nomi non dicono necessariamente molto sul contributo di ciascun bug o sul modo in cui la comunità si integra.
“Queste comunità sono ad alta dimensione”, ha detto Jacopo Grilli, ecologista microbico teorico ed ex fisico presso il Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam di Trieste, Italia. “Se proviamo a capirli, dobbiamo fare i conti con il fatto che ci sono molte, molte popolazioni, molte specie diverse – qualunque cosa significhi “specie” – in queste comunità. Tutte queste specie hanno le loro peculiarità e in qualche modo coesistono”.
In 2018, un Scienze carta da Sanchez e dal suo team ha dato ai microbiologi il permesso di semplificare il loro pensiero. La loro ricerca rivoluzionaria ha dimostrato che se si facesse un passo indietro e si lasciassero svanire dettagli altamente specifici, come i nomi esatti delle specie, si potrebbe comprendere meglio la logica di una comunità batterica, come se si stesse osservando un dipinto astratto da una certa distanza.
Come Grilli, Sanchez era un fisico prima di dedicarsi all’ecologia microbica. "Ho deciso di iniziare a lavorare sull'ecologia e sulle comunità microbiche perché ho notato che, a livello quantitativo, si trattava di un'area che non era stata studiata così bene come l'evoluzione", ha detto Sanchez.
Per lo studio, il suo laboratorio ha coltivato batteri selvatici coltivati da foglie morte e terreno intorno a New Haven, nel Connecticut. Hanno scoperto che, data la stessa serie di condizioni ambientali – le stesse fonti di carbonio, temperatura, acidità e così via – qualsiasi comunità microbica arriverà all’incirca alla stessa composizione funzionale, indipendentemente da come sia iniziata. Nei suoi esperimenti, con ogni popolazione, apparivano le stesse nicchie che venivano riempite più e più volte, anche se non necessariamente dalle stesse specie di batteri.
La ricerca ha cambiato il modo in cui i microbiologi guardavano alla comunità. Quando Sanchez confrontava le comunità campionate dallo stesso ambiente, i nomi dei batteri erano sempre diversi, ha detto D’Souza. “Ma se guardi al contenuto dei geni funzionali, chi fa cosa? È sorprendentemente simile”, ha detto. “Quindi non importa chi sei; quello che fai conta.”
Il potere predittivo del genoma
Nel 2018, Gralka era appena arrivato a Boston per lavorare come postdoc nel laboratorio di Cordero al MIT. Aveva iniziato come biofisico, studiando le proprietà fisiche delle cellule, individualmente e in aggregati. Aveva deciso di unirsi al programma di ricerca di Cordero perché i due ricercatori avevano visioni simili: sviluppare una comprensione quantitativa e a volo d’uccello delle comunità microbiche.
Cordero aveva un congelatore rifornito di microbi dell'Oceano Atlantico, che il suo laboratorio aveva utilizzato per fare un'interessante scoperta su come si formano le comunità microbiche attorno alle fonti alimentari, pubblicata su Current Biology nel 2019. Avevano lasciato cadere palline di chitina – un polimero di molecole di zucchero ripetitive che costituiscono i gusci degli insetti – in colture di batteri coltivate dai campioni marini. Quando gli scienziati hanno ripescato le palline, hanno osservato quali comunità si erano formate. I microbi che mangiavano la chitina si aggrappavano prevedibilmente alla chitina, ma c’erano anche batteri che non mangiavano la chitina. Quei batteri sembravano mangiare i sottoprodotti scartati dai mangiatori di chitina. I mangiatori di chitina e i mangiatori di sottoprodotti avevano formato una comunità.
Introduzione
Questo incuriosì Gralka. Sembrava possibile che il tipo di comunità potesse essere previsto solo dalle sue fonti di cibo: dalla fonte di cibo originale, e poi dalle nuove fonti create quando i batteri iniziali la distrussero. Si chiese se avrebbe potuto prevedere l’arco dei cambiamenti di una comunità microbica se ne avesse controllato le condizioni iniziali.
Poi, proprio quando è entrato nel laboratorio di Cordero, "dal laboratorio di Alvaro [Sanchez] è uscito un documento che ha avuto un grande successo", ha detto Gralka: il lavoro del 2018 mostra che appaiono nicchie microbiche prevedibili che possono essere riempite da molte specie diverse . L'idea che la funzione contasse più delle specie aveva senso per lui. “Nel suolo a volte si trovano migliaia di batteri diversi. Quindi questo apre molto rapidamente delle domande”, ha detto. “Come mai ci sono migliaia di specie? Sicuramente non ci sono migliaia di nicchie diverse”.
Combinando queste due intuizioni di Cordero e Sanchez, Gralka si è chiesto se fosse possibile non solo prevedere una comunità microbica dalla sua fonte di cibo iniziale, ma anche dedurre nicchie dai genomi dei batteri.
Gralka assaggiò il congelatore di Cordero. Innanzitutto, aveva bisogno di caratterizzare i batteri in base agli alimenti che preferivano. Utilizzando strumenti ad alto rendimento, ha coltivato 186 diverse specie batteriche in colture integrate con 135 diverse fonti alimentari. Nel complesso, Gralka ha misurato i tassi di crescita di oltre 25,000 campioni batterici.
La varietà di 186 specie batteriche è pari a quella di 186 esseri umani diversi e, come gli esseri umani, i batteri hanno ciascuno i propri modelli e abitudini. Alcuni dei batteri di Gralka crescevano rapidamente sugli zuccheri, mentre altri crescevano rapidamente sugli acidi, compresi gli acidi organici come l’acido citrico e gli amminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine. Usando questi dati, Gralka ha posizionato le specie su quello che ha chiamato asse zucchero-acido in base alle loro preferenze.
Quindi ha sequenziato il DNA di tutte le 186 specie per vedere come erano correlate evolutivamente. Gralka fu sorpreso di vedere che specie strettamente imparentate all'interno delle stesse famiglie filogenetiche spesso avevano preferenze metaboliche diverse. Ad esempio, l'ordine dei batteri bastoncini Alteromonadales conteneva al suo interno i mangiatori di acido Colwellia, i mangiatori di zucchero Paraglaciecola e il meno esigente Pseudoalteromonas, che li mangiò entrambi. Ciò ha supportato l’idea più ampia secondo cui i nomi delle specie non trasmettono molte informazioni sulla funzione dei batteri all’interno di una determinata comunità microbica.
Quindi l’analisi di Gralka ha scavato più a fondo nel DNA degli insetti. Per mettere in relazione il genoma con la funzione metabolica, ha cercato geni noti per essere coinvolti nella digestione e nel metabolismo degli zuccheri, e ha fatto lo stesso per gli acidi. Ha scoperto che il numero di geni che mangiano zucchero o acido predice dove ogni microbo si trova nello spettro zucchero-acido: più geni una specie ha per un processo o per l’altro, più è probabile che finisca su quell’estremità dell’asse. . I risultati suggerivano che i microbiologi potessero stabilire approssimativamente il metabolismo di una comunità cercando sequenze di determinati geni.
Introduzione
Poi trovò qualcosa di più sorprendente. Ignorando le sequenze genetiche effettive, osservò direttamente la rottura molecolare del DNA di un ceppo. Nella doppia elica del DNA, i quattro tipi di basi nei filamenti opposti sono accoppiati, con la guanina (G) legata alla citosina (C) e la timina (T) legata all'adenina (A). Inaspettatamente, i genomi dei mangiatori di acidi avevano un contenuto medio di GC del 55%, mentre il contenuto di GC dei mangiatori di zucchero era in media di circa il 40%. Per confermare che questa correlazione non era un capriccio della sua particolare comunità microbica, Gralka ha analizzato un set di dati più ampio di migliaia di genomi di riferimento provenienti da tutto l’albero della vita batterica. Lo schema reggeva: gli specialisti degli acidi generalmente avevano un contenuto di GC più elevato rispetto agli specialisti dello zucchero.
Questa regola sembrava inimmaginabilmente semplice. La chimica del DNA di un batterio prevedeva la sua nicchia nella comunità. Gralka potrebbe identificare se una specie mangiava principalmente zuccheri o acidi basandosi solo sul contenuto del suo genoma, senza esaminare affatto i suoi geni. La statistica e la genomica hanno trovato un ordine semplice dove la tassonomia non ne ha visto nessuno.
Predire il futuro microbico
Il lavoro getta le basi per una nuova scienza che permette di fare previsioni pratiche sulle comunità microbiche. Supponiamo che un oleodotto abbia perdite e sversamenti di petrolio greggio in una foresta; un microbiologo o uno scienziato ambientale potrebbe voler sapere quali batteri spunteranno per mangiare quell'olio. Un medico potrebbe voler sapere come il microbioma intestinale di un paziente potrebbe cambiare nel corso di una malattia e potenzialmente utilizzare tale previsione per prescrivere antibiotici specifici o altri medicinali.
Molte domande possono trovare risposta e molti problemi possono essere risolti se i ricercatori riescono a stimare rapidamente le funzioni di una comunità microbica. “Nel mio laboratorio lo chiamiamo il dilemma dell’allenatore”, ha detto Sanchez. “Hai un sacco di giocatori e vuoi capire chi dovresti mettere in campo se vuoi massimizzare il tuo punteggio. Ho questo elenco di 100 varietà; Voglio metterli in un bioreattore e voglio produrre quanto più etanolo possibile. Quindi quali varietà dovrei inserire?"
Le regole che gli ecologisti microbici stanno scoprendo non possono ancora rispondere a questa domanda. Tuttavia, una rapida valutazione del metabolismo microbico – o una teoria funzionante delle comunità batteriche e dei loro geni – potrebbe un giorno essere utilizzata per studiare e gestire un mondo di processi ecologici, ha detto Gralka.
Le comunità microbiche sono attori chiave in ogni ciclo ecologico sulla Terra. Quando un albero cade in una foresta, una litania di funghi e batteri si riunisce per mangiarlo e decomporrlo, restituendo i componenti dell’albero ai cicli globali dei nutrienti. Con i concetti introdotti da Gralka, Sanchez, Cordero e altri ecologisti microbici, le nicchie di questa nuova comunità sono prevedibili. Il legno è composto principalmente da cellulosa ed emicellulosa, che sono polimeri del glucosio; pertanto, una comunità funzionante, matura per partecipare alla decomposizione dei boschi, ospiterebbe batteri mangiatori di zucchero, sarebbe ricca di geni che digeriscono lo zucchero e avrebbe genomi composti da una proporzione inferiore di molecole GC. Un improvviso e misterioso picco di mangiatori di acido potrebbe essere un segno di qualcosa che non va, suggerì Gralka.
L’asse zucchero-acido è solo un tipo di nicchia comunitaria che questi ecologisti microbici vogliono identificare. Cordero ha offerto l'ecosistema forestale come esempio del loro obiettivo finale. Gli ecologisti hanno definito molti tratti e funzioni generali che sono condivisi tra le foreste e differiscono tra loro, consentendo confronti e previsioni.
“Quanta biomassa c’è sulle foglie rispetto al tronco? [Si] scopre che le piante che hanno foglie enormi respirano di più negli ambienti tropicali", ha detto Cordero. “Quanto sono profonde le radici? Questo ti dice quanti nutrienti possono prendere dall’ambiente. Quanto velocemente cresceranno? Quanto sono alti? Quanto sono bravi a competere per la luce?” Conoscere anche solo alcune di queste variabili può dirci molto sulle dinamiche di una foresta.
Cordero non sa quali potrebbero essere i tratti analoghi per i microrganismi e le loro comunità. Molte nicchie batteriche sono sicuramente legate al loro metabolismo e ai sottoprodotti, ma ci sono altri aspetti da considerare. "Se avessimo modo di apprendere quali sono queste variabili... e di identificarle sistematicamente, sarebbe sorprendente", ha affermato.
In un certo senso, questi scienziati stanno mappando ecologicamente le comunità microbiche per la prima volta. Il loro lavoro propone una nuova visione di cosa sia effettivamente una comunità microbica, dimostrando che ciò che sono i microbi è meglio definirlo in base a ciò che fanno.
Nota del redattore: Cordero guida la Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems, un programma di ricerca sostenuto dalla Simons Foundation, che finanzia anche questo rivista editoriale indipendente. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla nostra copertura.
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/the-quest-for-simple-rules-to-build-a-microbial-community-20240117/
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- detto
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- Svolta
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- seconda
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- e una comprensione reciproca
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- uso
- utilizzato
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- utilizzando
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- WebP
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- quando
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- OMS
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- volere
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- con
- entro
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- legno
- Lavora
- lavoro
- mondo
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- anno
- anni
- ancora
- Tu
- Trasferimento da aeroporto a Sharm
- zefiro
- Zurigo