Sofisticato comportamento di sciamatura: I batteri si sostengono a vicenda per generazioni

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Sciame di batteri Bacillus subtilis su un terreno di coltura in una piastra di P
Sciame di batteri Bacillus subtilis su un terreno di coltura in una piastra di Petri. (Immagine a colori: Biozentrum, UniversitÓ di Basilea)

I batteri non solo vivono in comunitÓ. Collaborano anche tra loro e si riforniscono di sostanze nutritive nel corso delle generazioni. I ricercatori dell’UniversitÓ di Basilea sono riusciti a dimostrarlo per la prima volta grazie a un metodo di nuova concezione. Questo metodo permette di seguire l’espressione genica durante lo sviluppo delle comunitÓ batteriche nello spazio e nel tempo.

In natura, i batteri vivono solitamente in comunitÓ. Come collettivo, abitano il nostro intestino, noto anche come microbioma intestinale, o formano biofilm come nella placca dentale. La convivenza offre ai singoli microbi molti vantaggi. Sono in grado di resistere meglio alle condizioni ambientali avverse, di conquistare insieme nuovi territori e di trarre vantaggio l’uno dall’altro.

Osservazione nello spazio e nel tempo

La formazione di queste comunitÓ batteriche Ŕ un processo molto complesso in cui i batteri creano strutture tridimensionali. Nell’ultimo studio pubblicato su "Nature Microbiology", il team di Knut Drescher del Biozentrum dell’UniversitÓ di Basilea ha analizzato pi¨ in dettaglio la formazione degli sciami batterici.

Hanno raggiunto una svolta metodologica che ha permesso di tracciare per la prima volta l’espressione genica e di filmare contemporaneamente il comportamento delle singole cellule mentre le comunitÓ microbiche si sviluppano nello spazio e nel tempo.

I batteri alimentano le generazioni successive

I ricercatori hanno utilizzato il Bacillus subtilis come organismo modello. Questo batterio molto diffuso fa parte anche della nostra flora intestinale. Le nostre osservazioni hanno dimostrato che questi batteri, che vivono in gruppo, cooperano tra loro per diverse generazioni", spiega Knut Drescher, responsabile dello studio. Le generazioni precedenti lasciano prodotti metabolici per i loro discendenti.

Si Ŕ anche scoperto che esistono diverse sottopopolazioni all’interno di uno sciame batterico. Queste producono e utilizzano prodotti metabolici diversi. Il tipo di sostanze disponibili influenza a sua volta la diffusione o il comportamento dello sciame batterico.

Distribuzione dei compiti all’interno della comunitÓ

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di microscopia all’avanguardia, analisi genetiche e campionamenti automatizzati. In questo modo hanno potuto esaminare l’espressione genica e il comportamento dei batteri in luoghi precisamente definiti e in tempi specifici e determinare quali sostanze i batteri espellono. Lo sciame batterico Ŕ stato così suddiviso in tre grandi regioni: il fronte dello sciame, la regione intermedia e il centro. Tuttavia, le transizioni sono fluide.

A seconda della regione, i batteri differiscono per aspetto, proprietÓ e comportamento", spiega la prima autrice Hannah Jeckel. Mentre ai bordi sono per lo pi¨ mobili, al centro i batteri formano filamenti lunghi e immobili e si aggregano per formare un biofilm 3D". Grazie alla distribuzione spaziale di batteri con proprietÓ diverse, la comunitÓ batterica può espandersi e allo stesso tempo radicarsi nel biofilm protettivo. Questo processo sembra essere diffuso nelle comunitÓ batteriche e importante per la loro sopravvivenza.

Nuova tecnologia

I risultati dello studio illustrano la complessitÓ e le dinamiche all’interno delle comunitÓ batteriche e mostrano che i singoli batteri interagiscono tra loro e si comportano in modo cooperativo - a favore della comunitÓ. Le componenti spaziali e temporali giocano quindi un ruolo centrale quando le comunitÓ microbiche emergono e si affermano.

Una pietra miliare di questo lavoro Ŕ che i ricercatori hanno sviluppato una tecnica per registrare serie complete di dati spazio-temporali da un processo multicellulare per la prima volta. E con una risoluzione che non ha eguali in nessun altro sistema biologico.

Pubblicazione originale

Hannah Jeckel et al.
Simultaneous spatiotemporal transcriptomics and microscopy of Bacillus subtilis swarm development reveal cooperation across generations.
Nature Microbiology (2023), doi: 10.1038/s41564’023 -01518-4