Introduzione
Chiudi gli occhi e immagina i batteri. Forse stai immaginando il nostro intestino Escherichia coli, o le lucide palline dorate dello stafilococco, o i riccioli a cavatappi delle spirochete della malattia di Lyme. Indipendentemente dalla specie e dalla sua forma, è probabile che l'occhio della tua mente abbia evocato una singola cellula, o forse più cellule a vita libera.
Il problema con questa immagine, dice il microbiologo Julia Schwartzmann, è che non riflette come è probabile che viva la maggior parte dei batteri. Spesso i batteri usano molecole appiccicose per ancorarsi a una superficie, crescendo all'interno collettivi grandi e stabili chiamati biofilm. La placca sui tuoi denti è un biofilm; così sono anche le infezioni sui cateteri, il verde viscido della schiuma del laghetto e la sporcizia che ostruisce lo scarico della vasca da bagno.
Ma il recente lavoro di Schwartzman, che ha condotto come borsista post-dottorato nel laboratorio di Otto Cordero presso il Massachusetts Institute of Technology, mostra che anche i batteri che galleggiano in mare aperto, privi di un punto di ancoraggio per formare grandi conglomerati, esistono in forme multicellulari.
"Abbiamo visto queste strutture che erano semplicemente incredibili", ha detto.
Come hanno mostrato Schwartzman, Cordero e i loro colleghi nel loro articolo recente in Current Biology, queste forme multicellulari sono nate perché i batteri hanno sviluppato un ciclo vitale molto più complesso di quello che si vede normalmente negli organismi unicellulari.
Compagnia per cena
Schwartzman è arrivato a queste scoperte sulla multicellularità nei batteri marini mentre cercava di conoscere qualcosa di più fondamentale: come mangiano.
In mare aperto, spesso l'unica fonte di energia per i microbi marini è un carboidrato gelatinoso chiamato alginato. A differenza del glucosio, del fruttosio e di altri zuccheri semplici che possono facilmente attraversare una membrana cellulare, l'alginato è costituito da lunghi filamenti arrotolati che sono spesso più grandi dei batteri che vi si nutrono. Schwartzman voleva saperne di più su come i batteri si nutrono in modo efficiente, dal momento che gli enzimi digestivi che secernono per abbattere l'alginato potrebbero essere facilmente diluiti e spazzati via nelle acque dell'oceano aperto.
Ecco perché lei e Ali Ebrahimi, un altro post-dottorato nel laboratorio di Cordero, hanno iniziato a misurare la crescita del batterio marino luminescente Vibrio splendido in fiasche di brodo caldo cariche di alginato. In molti esperimenti di microbiologia, gli scienziati forniscono ai microbi un buffet di nutrienti per incoraggiare le cellule a dividersi il più rapidamente possibile, ma le boccette di Schwartzman ed Ebrahimi hanno costretto il Vibrio i batteri sopravvivono grazie a quantità relativamente piccole di polimeri di alginato sovradimensionati, proprio come fanno in mare.
Tuttavia, quando Schwartzman ha iniziato a raccogliere dati, ha pensato di aver commesso un errore da principiante. Man mano che i batteri si moltiplicano, trasformano il brodo di coltura limpido e di colore ambrato in uno stufato torbido. Misurando l'oscurità, Schwartzman potrebbe estrapolare il numero di microbi nel pallone e costruire una curva di crescita per stimare la velocità con cui le cellule si stavano dividendo. I batteriologi stimano i tassi di crescita in questo modo da decenni. Come post-dottorato, Schwartzman aveva perso il conto di quante volte l'aveva fatto nel corso degli anni.
La curva di crescita per lei Vibrio culture, tuttavia, non mostravano la solita linea che sale dolcemente, ma piuttosto uno scarabocchio irregolare come la pista di un ottovolante. Non importa quante volte ha ripetuto il processo, i batteri non hanno prodotto la torbidità prevista nel brodo.
Un microscopico globo di neve
Per controllare cosa stava succedendo, Schwartzman ha depositato una gocciolina della soluzione di coltura su un vetrino da microscopio e ha scrutato attraverso l'obiettivo con un ingrandimento 40 volte. Ciò che lei ed Ebrahimi hanno visto non erano sciami di individui Vibrio ma piuttosto belle sfere stratificate costituite da centinaia o migliaia di batteri che vivono insieme.
"Non era solo una macchia di batteri", ha detto Schwartzman. "È una cosa sferica e puoi vedere le cellule che si mescolano nel mezzo."
Ulteriori lavori hanno mostrato che le sfere cave lo erano VibrioE' la soluzione alla complicata sfida del mangiare in mare. Un singolo batterio può produrre solo così tanto enzima; abbattere l'alginato va molto più rapidamente quando Vibrio possono raggrupparsi insieme. È una strategia vincente, dice Schwartzman, fino a un certo punto. Se sono troppi Vibrio, il numero di batteri supera l'alginato disponibile.
I batteri hanno risolto l'enigma sviluppando un ciclo di vita più complesso. I batteri vivono in tre fasi distinte. All'inizio, una singola cellula si divide ripetutamente e le cellule figlie si raggruppano in gruppi in crescita. Nella seconda fase, le cellule raggruppate si riorganizzano in una sfera cava. Le cellule più esterne si incollano insieme, formando qualcosa di simile a un microscopico globo di neve. Le cellule all'interno diventano più mobili, nuotando mentre consumano l'alginato intrappolato. Nella terza fase, lo strato esterno fragile si rompe, rilasciando le cellule interne ben alimentate per ricominciare il ciclo.
In effetti, Vibrio diventano una miscela eterogenea di cellule, con i batteri che utilizzano geni diversi per controllare il loro comportamento in ogni fase. Mentre le cellule interagiscono con le loro vicine nella struttura, ciò che emerge è "una sorprendente quantità di complessità", ha affermato Schwartzman, che a gennaio lancerà il suo laboratorio presso l'Università della California meridionale. "I batteri acquisiscono costantemente informazioni dal loro ambiente e talvolta rispondono in modi che cambiano l'ambiente".
Questa complessità ripaga Vibrio in diversi modi. Alterando il loro ciclo vitale per includere uno stadio multicellulare, i batteri possono digerire l'alginato in modo efficiente: il loro numero aumenta e il guscio cavo aiuta a concentrare gli enzimi. Nel frattempo, la struttura della comunità impedisce la nascita di troppe cellule. Le cellule nel guscio perdono l'opportunità di riprodursi, ma il loro DNA sopravvive comunque nella generazione successiva, poiché tutte le cellule nel globo sono cloni.
Quanto è comune la multicellularità?
Il lavoro è "una bella carta", secondo Jordi Van Gestel, che studia l'evoluzione dello sviluppo microbico presso il Laboratorio europeo di biologia molecolare e non è stato coinvolto nella ricerca. Van Gestel afferma che i risultati rafforzano l'idea che, lungi dall'essere un'eccezione, la vita di gruppo microbico è la norma.
"Illustra magnificamente la complessità del ciclo vitale in batteri così semplici", ha detto.
Anahit Penesyan, un microbiologo della Macquarie University in Australia, afferma che il lavoro di Schwartzman e Cordero offre un'utile sfida ai preconcetti sui batteri. "È scolpito nella nostra comprensione che un microbo è solo una singola cellula", ha detto e, di conseguenza, i ricercatori spesso non sono alla ricerca di comportamenti complessi che potrebbero dominare la vita microbica. "È come guardare un seme o una spora di una pianta e cercare di dedurre com'è l'intera pianta".
Il nuovo Vibrio la scoperta si aggiunge a un elenco crescente di microbi che possono diventare multicellulari per almeno una parte della loro vita. L'anno scorso, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno riferito che i lieviti unicellulari nel loro laboratorio hanno sviluppato a enorme forma multicellulare in soli due anni. E ad ottobre, ricercatori in Giappone annunciato la loro scoperta di batteri che crescono in strutture multicellulari sulle pareti delle grotte; quando le rocce sono immerse da ruscelli sotterranei, le strutture espellono cellule specializzate come semi per colonizzare altri luoghi.
Schwartzman e van Gestel credono entrambi che una capacità di multicellularità si sia evoluta all'inizio della storia della vita e sia condivisa con gli antichi cugini dei batteri, gli archaea, che sembrano anche unicellulari. Pensano che sia solo questione di tempo prima che i ricercatori trovino altre specie con proprietà simili e Schwartzman ha già iniziato a cercare.
James Shapiro, una microbiologa in pensione dell'Università di Chicago, ha pochi dubbi sul fatto che lo troverà.
A partire dagli anni '1980, Shapiro e altri luminari della microbiologia come Bonnie Bassler presso la Princeton University ha dimostrato che lo stile di vita unicellulare di batteri ben studiati era spesso un artefatto degli ambienti artificiali delle boccette in cui venivano coltivati. In un articolo 1998 nel Revisione annuale di microbiologia, Shapiro ha affermato che i batteri non sono solitari unicellulari. "Sono giunto alla conclusione che fondamentalmente tutti i batteri sono organismi multicellulari", ha detto.
Nel corso della sua carriera di quattro decenni, Shapiro ha visto la sua ipotesi trasformarsi da quasi eretica a incontrovertibile. "All'inizio, ricevevo solo un'attenzione confusa, ma ora è diventata una saggezza convenzionale", ha detto. "La multicellularità è una proprietà intrinseca dei batteri".
Nota del redattore: Cordero è co-direttore della Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. La ricerca di Schwartzman, Cordero e dei loro colleghi è stata supportata attraverso quella collaborazione dalla Fondazione Simons, che sponsorizza anche questa rivista editorialmente indipendente.
