Evoluzione, orologio molecolare e microbiologia: un “ritratto di famiglia” per i batteri

Esiste un modo per stabilire se è nato prima l’uovo o la gallina? In questo caso forse se è nato prima il batterio o la spora… facile ironia a parte, abbiamo a disposizione una sorta di orologio che ci spieghi quando si sono svolti i processi di speciazione, cioè quando due specie batteriche si sono distinte? E distinte da cosa poi? E su quali basi?

In poche parole: E’ possibile raccontare la storia evolutiva di un batterio o di qualsiasi altro organismo?

La risposta è sì, tutto questo è possibile e al giorno d’oggi si sono fatti passi da gigante dal punto di vista pratico. Basti pensare al fatto che i primi cenni al concetto di evoluzione dal punto di vista scientifico risalgono all’Ottocento, e che quando parliamo di evoluzione il primo nome che ci viene in mente è quello di Charles Darwin, che con i suoi studi ha rivoluzionato la comprensione della vita sulla Terra. Cinque anni di viaggi sul brigantino Beagle, cinque anni di osservazioni e annotazioni, disegni e elaborazioni hanno portato a sviluppare il concetto di evoluzione. Nel 1859 viene pubblicata l’opera On the origin of species by means of natural selection”  che espone per la prima volta la teoria dell’evoluzione e della selezione naturale. Osservando le particolari condizioni ambientali e faunistiche delle Galapagos, Darwin ha elaborato il concetto di selezione naturale come strumento di eccellenza per l’evoluzione, ha descritto la presenza di caratteri innati e caratteri ereditari. Anche gli studi di Mendel, il padre della genetica moderna, si sono svolti grazie all’osservazione diretta di piante di Pisum sativum. Le cose sono più complicate per la microbiologia, anche per ovvi limiti tecnologici: dobbiamo aspettare ancora molti anni prima che anche i microrganismi  siano oggetto di attenzione dal punto di vista evolutivo. Carl Woese è considerato una figura fondamentale per l’evoluzione molecolare dal punto di vista microbiologico, il pioniere che ha disegnato un albero filogenetico basandosi su caratteristiche genotipiche e non fenotipiche.

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Carl Woese ritratto da “The Independent”

Grazie all’opera di Woese si presta maggiore attenzione all’informazione genetica, piuttosto che a quello che dell’informazione possiamo notare a livello macroscopico. I microrganismi in generale e i batteri in particolare non hanno molti tratti morfologici che li possano distinguere, o almeno non abbastanza per individuare tutte le diverse specie. Per questo vengono prese in considerazione proprietà biochimiche, come la capacità di utilizzare alcuni substrati piuttosto che altri o “nutrirsi” di alcuni zuccheri piuttosto che di altri. Per questo vengono messi a punto sistemi di classificazione basati su questo tipo di caratteristiche, e grazie a queste proprietà secondo il Bergey’s manual vengono classificate le specie batteriche. Tutto questo definisce il fenotipo di una specie batterica. Questo sistema può essere considerato sufficientemente affidabile? Non sempre, non per tutte le specie: alcune hanno una tassonomia alquanto intricata, e talmente tante analogie tra sottospecie che le proprietà fenotipiche non sono sufficienti a fare chiarezza. Un esempio lampante di questo tipo di problematiche è rappresentato dal Burkholderia cepacia complex, insieme di specie genomiche o genomovar in continua evoluzione la cui tassonomia è stata risolta grazie agli studi di evoluzione molecolare.

Tornando a Woese, nel 1987 pubblica “Bacterial evolution” per Microbiology Reviews. Questo lavoro illustra la rivoluzione nella rivoluzione rappresentata dalla possibilità di sequenziare il DNA, e di farlo rapidamente. Ogni cellula racconta una storia, e grazie alle innovazioni tecnologiche la storia può essere letta in modo più immediato rispetto al passato. La subunità minore del 16 S del rRNA è la molecola grazie alla quale la distanza evolutiva può essere registrata.  Ma perché scegliere proprio questo organello? E perché proprio questa parte di ribosoma? I ribosomi sono gli organelli cellulari deputati alla sintesi proteica, alla traduzione dell’informazione genetica. Ogni cellula possiede un gran numero di ribosomi, rRNA 16S si trova solo nella cellula procariote che contiene ribosomi di tipo diverso rispetto alla cellula eucariote. Dal confronto tra le sequenze di organismi diversi si possono ricavare dati utili per essere tradotti in alberi filogenetici, come quello proposto in figura 1.

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Figura 1: albero filogenetico di batteri appartenenti al Burkholderia cepacia complex.

Questo tipo di rappresentazione è un mezzo immediato per capire subito i “rapporti di parentela” tra microrganismi diversi, o tra microrganismi di una stessa specie con una tassonomia complicata. Un po’ come un albero genealogico, o una foto di famiglia. Il fatto che rRNA 16S sia così importante porta anche a rendere molto più basso il tasso di mutazione spontanea, o meglio a rendere meno vantaggioso per la cellula batterica fissare una mutazione in questo tipo di gene. Di conseguenza, la presenza di mutazioni in questo particolare locus ha un ruolo molto importante per determinare la distanza filogenetica tra specie diverse.

Nel 1987 Woese scriveva della grande opportunità data dal sequenziamento del DNA, nel 2017 gli studi evoluzionistici sono agevolati dalla possibilità di produrre una grandissima quantità di dati in un tempo molto ridotto. Con le tecniche di next generation sequencing (NGS), il tempo di ottenimento delle sequenze di un intero genoma batterico si riduce ad ore o giorni. Questi dati hanno permesso di mettere a punto una serie di metodiche, come ad esempio il multi locus sequence typing o MLST, che mettono in grado il laboratorista di individuare un singolo ceppo batterico nell’ambito della specie di appartenenza. Il sequenziamento di una parte del gene codificante per la sub-unità 16S viene affiancato al sequenziamento di parte del genoma o del genoma completo di un batterio. Tutte queste informazioni servono a conoscere meglio un batterio, a ottenere informazioni anche sul passaggio di materiale genetico tra una specie batterica e l’altra per trasferimento genetico orizzontale. Questi dati sono di grande utilità in ambito clinico, per combattere il problema delle resistenze batteriche. Inoltre, se il gene per il 16S rRNA non muta frequentemente, è utile per studiare l’evoluzione delle specie batteriche, mentre la microevoluzione intraspecifica può essere monitorata con il sequenziamento del genoma o con MLST. Il progresso riguarda quindi una migliore capacità diagnostica, ma anche e soprattutto una migliore conoscenza evoluzionistica che si riflette poi dal punto di vista epidemiologico con tutto quel che ne consegue in termini di prevenzione e cura delle malattie infettive di origine batterica e del diffondersi di determinanti di resistenza antibiotica.

 

Priscilla Cocchi

 

Sitografia

http://darwin-online.org.uk/media.html

www.mlst.net

Bibliografia

Microbiol Rev. 1987 Jun;51(2):221-71. Bacterial evolution. Woese CR. PMID: 2439888 

Vandamme P, Henry D, Coenye T, Nzula S, Vancanneyt M, LiPuma JJ, Speert DP, Govan JR, Mahenthiralingam E. Burkholderia anthina sp. nov. and Burkholderia pyrrocinia, two additional Burkholderia cepacia complex bacteria, may confound results of new molecular diagnostic tools. FEMS Immunol Med Microbiol. 2002 Jun 3;33(2):143-9. PubMed PMID: 12052570.

Immagini

https://wwwnc.cdc.gov/eid/article/10/11/04-0127-f1

http://www.independent.co.uk/news/obituaries/professor-carl-woese-scientist-whose-work-revealed-the-third-domain-of-life-8521514.html

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