Biofilms: le fortezze batteriche super-resistenti

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Bacillus cereus

Siamo abituati a pensare ai batteri come singole unità, unicellulari e solitarie, forzate a combattere sia contro di noi che tra di loro per la sopravvivenza. Entità con un’esistenza diametralmente opposta, ci hanno detto, alle cellule del nostro corpo, che cooperano come un alveare per il benessere del nostro organismo arrivando al suicidio (l’apoptosi o morte cellulare programmata) quando non sono più in grado di adempiere ai propri compiti.

Eppure non è così.

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Biofilm batterico

I batteri, le più semplici forme di vita esistenti e le più antiche, hanno rivelato infatti una complessità sorprendente, che apre nuovi orizzonti alla lotta che da sempre ci vede antagonisti.

Questa ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature, arriva dall’università della California, San Diego, e rivela un affascinante processo che emerge spontaneamente in grosse comunità batteriche: l’organizzazione dei batteri in aggregati volti alla cooperazione metabolica, in cui le necessità comunitarie e quelle del singolo si bilanciano in un delicato equilibrio.

“È un chiaro esempio dei cosiddetti ‘fenomeni emergenti‘, processi che non possono essere rilevati né studiati negli individui ma emergono solo quando si studiano gruppi numerosi”, ha spiegato Gürol Süel, uno dei ricercatori a capo dello studio condotto sulla specie batterica Bacillus subtilis.

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Bacillus subtilis

Proprio come nella nostra società i batteri che abitano queste aggregazioni devono arrivare a dei compromessi, stringere degli accordi e dividersi dei ruoli, per mantenere un equilibrio tale che permetta la sopravvivenza del singolo e la prosperazione della colonia.

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Biofilm batterico

I biofilms, così si chiamano questi aggregati, sono sottili strutture organizzate in strati che rivestono vari tipi di superfici (come il tartaro dentale) e che sono caratterizzate da una notevole resistenza all’azione di sostanze chimiche ed antibiotici. Sono composte da due strati, uno più esterno, come una buccia, ed uno più interno. In base alla posizione che i batteri occupano nel biofilm svolgeranno compiti diversi.

Per studiare questo fenomeno il team di ricercatori ha dovuto ricreare in laboratorio un aggregato batterico grosso abbastanza da sviluppare spontaneamente il biofilm; osservando e misurando accuratamente la grandezza di questo si sono resi conto che, una volta raggiunta una certa grandezza, esso iniziava ad oscillare.

Ad un’analisi più approfondita questa oscillazione si è rivelata l’elemento chiave della vita comunitaria dei batteri, un escamotage che impedisce la competizione tra i singoli batteri per i nutrienti e ne favorisce la collaborazione per la prosperità della colonia.

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Pseudomonas aeruginosa

Questo meccanismo oscillatorio è dovuto al conflitto tra i batteri dello strato esterno e quelli dello strato interno, infatti benché i primi rappresentano uno schermo protettivo per i più interni, subendo sia gli attacchi chimici che quelli antibiotici, sono anche i più vicini ai nutrienti, che potrebbero esaurire prima che arrivino ai batteri interni.

La risoluzione di questo conflitto, chiamata “co-dipendenza metabolica“, consiste in uno stretto controllo che le cellule più interne attuano su quelle esterne: da un lato le rendono dipendenti dalla propria presenza, producendo un metabolita necessario alla loro crescita, dall’altro le inibiscono periodicamente, producendo un metabolita tossico. Questa oscillazione nella grandezza è anche un’oscillazione temporale, avviene cioè ciclicamente, rendendo la comunità stabile nel tempo.

Biofilm batterico
Biofilm batterico

L’organizzazione in biofilms non è solo il frutto di interazioni sociali ma rappresenta una vera e propria minaccia per noi in quanto queste strutture sono caratterizzate da un’alta resistenza agli antibiotici: impedire ai batteri di barricarsi in queste fortezze biologiche rappresenta un obiettivo chiave nella lotta sanitaria alla resistenza agli antibiotici.

La ricerca su come combattere i biofilms arriva da Roma, frutto della sinergia tra l’Istituto Pasteur e l’Università Sapienza sotto la guida di Francesca Cutruzzolà, ed è stato pubblicata sul Journal of Bacteriology ottenendo la copertina del numero di aprile e la menzione come uno dei tre migliori articoli.

“I batteri” dice Cutruzzolà “rispondono a stimoli di stress provenienti dall’ambiente sintetizzando alcune molecole segnale che controllano la formazione del biofilm. La molecola chiave in questo processo è il di-GMP ciclico, un piccolo di-nucleotide che regola i processi di adesione e motilità: alti livelli intracellulari di di-GMP ciclico segnalano alle cellule di coordinarsi in un’azione di difesa”.

“Con il nostro studio” continua Cutruzzolà “dimostriamo che un gruppo di proteine (chiamate HD-GYP) coinvolte nella degradazione del c-di-GMP sono in grado di cambiare a seconda dell’ambiente e, in particolare nel batterio Pseudomonas aeruginosa in cui è stato effettuato lo studio, in base al numero e tipo di metalli presenti che sono in grado di legare. Le HD-GYP sembrerebbero quindi avere una funzione di sensore di pericolo, che avverte i batteri dei metalli presenti e perciò di come organizzarsi per sopravvivere in tali condizioni ambientali”.

Un possibile target per sconfiggere queste fortezze batteriche potrebbe quindi essere colpire questo sistema-sensore, per controllare la formazione dei biofilms e quindi contrastare il problema dell’antibiotico-resistenza.

Fonti: Le scienze (Scientific American).
Ricerca pubblicata su Nature “Metabolic co-dependence gives rise to collective oscillations within biofilms, Jintao Liu, Arthur Prindle, Jacqueline Humphries, Marçal Gabalda-Sagarra, Munehiro Asally, Dong-yeon D. Lee, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo & Gürol M. Süel”.
Ricerca pubblicata sul Journal of Bacteriology “Rinaldo S, Paiardini A, Stelitano V, Brunotti P, Cervoni L, Fernicola S, Protano C, Vitali M, Cutruzzolà F, Giardina G. 2015. Structural basis of functional diversification of the HD-GYP domain revealed by the Pseudomonas aeruginosa PA4781 protein, which displays an unselective bimetallic binding site. J Bacteriol 197:1525–1535”.

Laura Tasca

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