Stiamo vivendo in un mondo batterico, e ci sta influenzando più di quanto si pensasse

di Lisa Zyga , Phys.org

(Phys.org)-Nel corso della sua carriera, la famosa biologa Lynn Margulis (1938-2011) ha sostenuto che il mondo dei microrganismi ha un impatto molto maggiore sull’intera biosfera – il mondo di tutti gli esseri viventi – di quanto gli scienziati in genere riconoscano. Ora un team di scienziati provenienti da università di tutto il mondo ha raccolto e compilato i risultati di centinaia di studi, la maggior parte degli ultimi dieci anni, sulle interazioni animali-batteri, e hanno dimostrato che Margulis aveva ragione. I risultati combinati suggeriscono che le prove a sostegno della visione di Margulis hanno raggiunto un punto di svolta, chiedendo agli scienziati di riesaminare alcune delle caratteristiche fondamentali della vita attraverso la lente delle complesse relazioni codipendenti tra i batteri e altre forme di vita molto diverse.

Il progetto di rivedere le attuali ricerche sulle interazioni animali-batteriche è iniziato quando alcuni scienziati hanno riconosciuto l’importanza dei batteri nei loro campi di studio. Per Michael Hadfield, professore di biologia all’Università delle Hawaii a Manoa, il riconoscimento è cresciuto nel corso di molti anni mentre studiava la metamorfosi degli animali marini. Ha scoperto che alcuni batteri influenzano le larve marine a stabilirsi in luoghi particolari sul fondo del mare, dove si trasformano in giovani e vivono il resto della loro vita.

“Una volta determinato che specifici batteri del biofilm forniscono un ligando essenziale e unico per stimolare le larve di un verme marino distribuito a livello globale, la nostra ricerca è progredita naturalmente verso uno studio della porzione del genoma batterico responsabile della segnalazione, e verso altre specie, dove abbiamo trovato gli stessi geni coinvolti”, ha detto Hadfield a Phys.org. “Provenendo da diverse prospettive sullo studio delle interazioni animali-batteri, e riconoscendone molte altre, Margaret McFall-Ngai e io abbiamo discusso ampiamente la situazione attuale e poi abbiamo deciso di tentare di riunire un numero significativo di esperti su vari approcci allo studio delle interazioni animali-batteri per redigere un documento come quello che avete in mano. Abbiamo proposto un ‘incontro di catalisi’ sull’argomento al National Evolutionary Synthesis Center (NESCent) della National Science Foundation, che è stato finanziato, e il progetto è decollato.”

I batteri ci circondano

Per molti aspetti, è facile vedere il ruolo di primo piano che i batteri svolgono nel mondo. I batteri sono stati una delle prime forme di vita ad apparire sulla Terra, circa 3,8 miliardi di anni fa, e molto probabilmente sopravviveranno molto tempo dopo la scomparsa dell’uomo. Nell’attuale albero della vita, occupano uno dei tre rami principali (gli altri due sono Archaea ed Eucarya, e gli animali appartengono a quest’ultimo). Anche se i batteri sono estremamente diversi e vivono quasi ovunque sulla Terra, dal fondo dell’oceano all’interno del nostro intestino, hanno alcune cose in comune. Hanno dimensioni simili (pochi micrometri), sono di solito costituiti da una sola cellula o da poche cellule, e le loro cellule non hanno nucleo.

Anche se gli scienziati sanno da molti anni che gli animali servono come ospite per i batteri, che vivono soprattutto nell’intestino, nella bocca e sulla pelle, recenti ricerche hanno scoperto quanto siano numerosi questi microbi. Gli studi hanno dimostrato che gli esseri umani hanno circa 10 volte più cellule batteriche nel nostro corpo rispetto alle cellule umane. (Tuttavia, i batteri totali pesano meno di mezzo chilo perché le cellule batteriche sono molto più piccole delle cellule umane).

Mentre alcuni di questi batteri vivono semplicemente fianco a fianco con gli animali, senza interagire molto, alcuni di loro interagiscono molto. Spesso associamo i batteri a “germi” o agenti patogeni che causano malattie, e i batteri sono responsabili di molte malattie, come la tubercolosi, la peste bubbonica e le infezioni da MRSA. Ma i batteri fanno anche molte cose buone, e la recente ricerca sottolinea il fatto che la vita animale non sarebbe la stessa senza di loro.

“Il vero numero di specie batteriche nel mondo è incredibilmente enorme, compresi i batteri che ora si trovano in giro per la Terra negli strati più alti della nostra atmosfera e nelle rocce sotto il fondo del mare”, ha detto Hadfield. “Poi aggiungi tutti quelli provenienti da tutti i possibili ambienti a cui puoi pensare, dai pozzi neri alle sorgenti calde, e dappertutto su e in praticamente ogni organismo vivente. Quindi, la proporzione di tutte le specie batteriche che è patogena per le piante e gli animali è sicuramente piccola. Sospetto che la proporzione che è benefica/necessaria per le piante e gli animali sia altrettanto piccola rispetto al numero totale di batteri presenti nell’universo, e sicuramente la maggior parte dei batteri, in questa prospettiva, sono “neutri”. Tuttavia, sono anche convinto che il numero di microbi benefici, anche molto necessari, sia molto, molto più grande del numero di patogeni.”

Origini animali e coevoluzione

Dalle nostre umili origini, i batteri potrebbero aver giocato un ruolo importante assistendo alle origini degli organismi multicellulari (circa 1-2 miliardi di anni fa) e alle origini degli animali (circa 700 milioni di anni fa). I ricercatori hanno recentemente scoperto che uno dei parenti viventi più vicini agli animali multicellulari, un choanoflagellato unicellulare, risponde ai segnali di un suo batterio preda. Questi segnali fanno sì che le cellule choanoflagellate che si dividono mantengano le connessioni, portando alla formazione di colonie ben coordinate che potrebbero essere diventate organismi multicellulari. Tuttavia, tali questioni di origine sono state oggetto di un intenso dibattito, e gli scienziati hanno molte ipotesi su come queste forme di vita sono emerse. Un ruolo batterico in questi processi non esclude altre prospettive, ma aggiunge un’ulteriore considerazione.

Dopo aver aiutato a far nascere gli animali, i batteri hanno anche giocato un ruolo importante nell’aiutarli lungo il loro percorso evolutivo. Mentre tradizionalmente si pensa che lo sviluppo degli animali sia diretto principalmente dal genoma dell’animale stesso in risposta a fattori ambientali, ricerche recenti hanno dimostrato che lo sviluppo degli animali può essere pensato meglio come un’orchestrazione tra l’animale, l’ambiente e la coevoluzione di numerose specie microbiche. Un esempio di questa coevoluzione può essersi verificato quando i mammiferi hanno sviluppato l’endotermia, o la capacità di mantenere una temperatura costante di circa 40 °C (100 °F) con mezzi metabolici. Questa è anche la temperatura alla quale i partner batterici dei mammiferi lavorano con efficienza ottimale, fornendo energia ai mammiferi e riducendo il loro fabbisogno di cibo. Questa scoperta suggerisce che la temperatura preferita dai batteri può aver esercitato una pressione di selezione sull’evoluzione dei geni associati all’endotermia.

Segnalazione batterica

Le prove di una radicata alleanza tra animali e batteri emergono anche nei genomi di entrambi i gruppi. I ricercatori stimano che circa il 37% dei 23.000 geni umani hanno omologhi con batteri e Archaea, cioè sono legati a geni trovati in batteri e Archaea che sono derivati da un antenato comune.

Molti di questi geni omologhi permettono la segnalazione tra animali e batteri, il che suggerisce che sono stati in grado di comunicare e influenzare lo sviluppo dell’altro. Un esempio è la scoperta di Hadfield e del suo gruppo che la segnalazione batterica gioca un ruolo essenziale nell’indurre la metamorfosi in alcune larve di invertebrati marini, dove i batteri producono spunti associati a particolari fattori ambientali. Altri studi hanno scoperto che la segnalazione batterica influenza il normale sviluppo del cervello nei mammiferi, influenza il comportamento riproduttivo sia nei vertebrati che negli invertebrati, e attiva il sistema immunitario nelle mosche tse-tse. Le sostanze chimiche olfattive che attraggono alcuni animali (compresi gli esseri umani) verso i loro futuri compagni sono anche prodotte dai batteri residenti negli animali.

La segnalazione batterica non è solo essenziale per lo sviluppo, ma aiuta anche gli animali a mantenere l’omeostasi, mantenendoci sani e felici. Come ha dimostrato la ricerca, i batteri dell’intestino possono comunicare con il cervello attraverso il sistema nervoso centrale. Gli studi hanno scoperto che i topi senza alcuni batteri hanno difetti nelle regioni del cervello che controllano l’ansia e il comportamento simile alla depressione. La segnalazione batterica gioca anche un ruolo essenziale nella protezione del sistema immunitario di un animale. Disturbare queste vie di segnalazione batterica può portare a malattie come il diabete, le malattie infiammatorie intestinali e le infezioni. Gli studi suggeriscono anche che molti degli agenti patogeni che causano malattie negli animali hanno “dirottato” questi canali di comunicazione batterica che originariamente si sono evoluti per mantenere un equilibrio tra l’animale e centinaia di specie batteriche benefiche.

La segnalazione appare anche nella più ampia arena degli ecosistemi. Per esempio, i batteri nel nettare dei fiori possono cambiare le proprietà chimiche del nettare, influenzando il modo in cui gli impollinatori interagiscono con le piante. I neonati umani che nascono per via vaginale hanno batteri intestinali diversi da quelli partoriti con taglio cesareo, il che può avere effetti duraturi. E i batteri che si nutrono di animali morti possono respingere gli animali spazzini – organismi 10.000 volte più grandi di loro – producendo odori nocivi che segnalano agli spazzini di stare lontani.

Nell’intestino

Nei primi animali, i batteri intestinali hanno giocato un ruolo importante nella nutrizione, aiutando gli animali a digerire il cibo, e possono aver influenzato lo sviluppo di altri sistemi di organi vicini, come il sistema respiratorio e urogenitale. Allo stesso modo, l’evoluzione degli animali ha probabilmente guidato l’evoluzione dei batteri, a volte in nicchie altamente specializzate. Per esempio, il 90% delle specie batteriche nelle budella delle termiti non si trovano da nessun’altra parte. Tale specializzazione significa anche che l’estinzione di ogni specie animale comporta l’estinzione di un numero imprecisato di stirpi batteriche che si sono evolute con essa.

Gli scienziati hanno anche scoperto che i batteri dell’intestino umano si adattano ai cambiamenti della dieta. Per esempio, la maggior parte degli americani ha un microbioma intestinale che è ottimizzato per digerire una dieta ad alto contenuto di grassi e proteine, mentre le persone nelle zone rurali dell’Amazzonia, in Venezuela, hanno microbi intestinali più adatti a scomporre i carboidrati complessi. Alcune persone in Giappone hanno persino un batterio intestinale che può digerire le alghe. I ricercatori pensano che il microbioma intestinale si adatti in due modi: aggiungendo o rimuovendo alcune specie di batteri e trasferendo i geni desiderati da un batterio all’altro attraverso il trasferimento genico orizzontale. Sia l’ospite che i batteri beneficiano di questo tipo di relazione simbiotica, che i ricercatori pensano sia molto più diffusa di quanto si pensasse in precedenza.

Il quadro generale

Nell’insieme, i recenti studi hanno dimostrato che animali e batteri hanno storie profondamente intrecciate, e dipendono l’uno dall’altro per la loro salute e il loro benessere e per quello dei loro ambienti. Anche se i ricercatori si sono concentrati esclusivamente sulle interazioni animali-batteri, si aspettano che simili tendenze di codipendenza e simbiosi siano universali tra e tra altri gruppi, come Archaea, funghi, piante e animali. Una volta considerata un’eccezione, tale compenetrazione sta ora diventando la regola, proprio come Margulis aveva previsto molti decenni fa. A causa di queste relazioni simbiotiche, gli scienziati qui propongono che le definizioni stesse di un organismo, di un ambiente, di una popolazione e di un genoma sono diventate confuse e dovrebbero essere riviste. Può essere, per esempio, che gli animali siano meglio visti come ecosistemi ospite-microbo piuttosto che come individui.

Inoltre, gli scienziati prevedono che le recenti scoperte sulle interazioni animali-batteri probabilmente richiederanno ai biologi di modificare significativamente la loro visione della natura fondamentale dell’intera biosfera. Su questa linea, progetti di ricerca su larga scala come lo Human Microbiome Project e l’Earth Microbiome Project sono già in corso per indagare la vasta gamma di batteri nei sistemi individuali e globali, e per vedere cosa succede quando i batteri vengono disturbati.

Alla fine, gli scienziati sperano che i risultati promuovano una maggiore collaborazione interdisciplinare tra scienziati e ingegneri di diversi campi per esplorare la nuova frontiera microbica. Essi sostengono che queste scoperte dovrebbero rivoluzionare il modo in cui la biologia viene insegnata dal livello delle scuole superiori in su, concentrandosi maggiormente sulle relazioni tra i batteri, i loro partner animali e tutte le altre forme di vita.

“È difficile riassumere una singola “conclusione più importante”, se non l’ammonizione ai biologi che studiano gli animali, dal comportamento alla fisiologia e dall’ecologia alla biologia molecolare, che non importa quale processo pensi di studiare, devi cercare e considerare un ruolo importante per i batteri”, ha detto Hadfield. “In molti casi, questo può richiedere partnership attraverso i tradizionali confini della ricerca, il che significa che gli zoologi devono collaborare con i microbiologi per far progredire la loro ricerca, che i biologi molecolari devono collaborare con i biologi dell’intero organismo, ecc. Vogliamo fortemente che il messaggio di ‘Animals in a bacterial world’ sia un appello per la necessaria scomparsa dei vecchi confini tra i dipartimenti di scienze biologiche (ad esempio, dipartimenti di zoologia, botanica, microbiologia, ecc.) nelle università, e le società (ad esempio, la Società Americana di Microbiologia, ecc.). Vogliamo anche che il messaggio sia diffuso nelle classi dei college e delle università, dalla biologia introduttiva ai corsi avanzati nelle varie aree tematiche del nostro documento”.

I risultati cambieranno profondamente il modo in cui gli scienziati di questa collaborazione continuano con le loro aree di ricerca, ha detto Hadfield.

“Ognuno degli autori del nostro documento conduce ricerche di base in una o più aree di interazioni animali-batteriche discusse nel documento, e ognuno continuerà a concentrarsi sulla propria specialità, sono sicuro”, ha detto. “Tuttavia, sono anche certo che le interazioni sviluppate durante la composizione e la scrittura del documento (a partire dal nostro incontro al NESCent nell’ottobre 2011, quando la maggior parte di noi si è incontrata per la prima volta) avranno un impatto sulle nostre ricerche e ci porteranno a stabilire nuove collaborazioni con altri laboratori. Questo si è già verificato per me; ho una nuova collaborazione con il gruppo di Dianne Newman al CalTech, un gruppo eccezionale di batteriologi che ci stanno aiutando a fare un’indagine molto più approfondita dei prodotti genetici batterici responsabili dello sviluppo larvale”.