Il microbioma sotterraneo: un’importante risorsa per la produzione di antibiotici

L’ambiente sotterraneo può essere considerato un vero e proprio serbatoio di diversità microbica, capace di ospitare specie ancora sconosciute, forme metaboliche esclusive e fonti uniche di informazioni genetiche utili per la sintesi di enzimi industriali e nuovi farmaci. I microbiomi di molti ecosistemi rappresentano infatti una sorgente naturale di preziose molecole, indispensabili per far fronte ad un problema sempre più frequente: la resistenza agli antibiotici.

Sebbene le grotte possano sembrare ambienti più stabili e protetti rispetto a quelli di superficie, severe pressioni ambientali, come ad esempio l’assenza di luce e la scarsa disponibilità di nutrienti le rendono habitat estremi. Eppure, un sistema ostile come quello sotterraneo potrebbe favorire particolari interazioni microbiologiche, necessarie per proliferare in situazioni di forte stress ambientale.

I biofilm microbici presenti all’interno delle grotte sono ancora poco conosciuti, ma grazie alla loro capacità di produrre metaboliti bioattivi, rappresentano un’importante finestra d’accesso per studiare numerose molecole potenzialmente rilevanti dal punto di vista farmacologico. Per designare la gamma di composti biologicamente attivi a bassa massa molecolare prodotti da batteri, lieviti, piante e altri organismi è stato recentemente coniato un nuovo termine, sempre più utilizzato in letteratura: il parvoma.

Biofilm

Come riportato nel precedente articolo (https://www.microbiologiaitalia.it/2019/02/21/the-coloured-side-of-the-caves-un-viaggio-nel-mondo-della-microbiologia-ipogea/), le grotte ospitano spesso estese e suggestive patch di colore. Queste patine colorate denotano generalmente una brulicante attività microbica, condensata all’interno di biofilm.

I biofilm sono popolazioni cellulari che colonizzano in maniera irreversibile superfici biotiche o abiotiche. Tali aggregazioni sono generalmente ‘’immerse’’ in una matrice di esopolisaccaridi (EPS) che svolge funzioni protettive nei confronti di fattori ambientali sfavorevoli, come variazioni improvvise del pH, shock osmotici o disidratazione.

All’interno di queste strutture, le cellule microbiche vivono in comunità ben definite e funzionali che permettono loro di prosperare in maniera più efficiente rispetto a quelle libere (planctoniche).

La formazione del biofilm inizia con l’attaccamento e l’immobilizzazione di singole cellule su una superficie. In condizioni adeguate, i colonizzatori primari crescono e si moltiplicano, stabilendo interazioni cellula-cellula e portando alla formazione di micro-colonie, con conseguente secrezione di EPS; successivamente, i colonizzatori secondari hanno accesso alla comunità, promuovendo in questo modo, il processo di maturazione del biofilm.

Fasi dello sviluppo di un biofilm.

Quorum sensing

Lo sviluppo di tali strutture è regolato da meccanismi di quorum sensing, un processo attraverso il quale le cellule batteriche comunicano tra loro mediante molecole segnale, chiamate autoinduttori. Questo affascinante sistema di comunicazione, associato alla vicinanza tra le cellule, facilita lo scambio di materiale genetico nella comunità del biofilm, migliorando così, l’adattamento all’ambiente. Inoltre, il rilascio di questi particolari segnali determina un comportamento diverso a seconda delle molecole impiegate.

Utilizzando una metafora linguistica, le molecole segnale potrebbero essere considerate parole pronunciate dai microrganismi, ciascuna con un significato diverso.

Questa complessa trama di comunicazioni tra le cellule coinvolge un enorme numero di metaboliti secondari ed enzimi. Alcuni composti sono stati analizzati ed hanno mostrato proprietà antibatteriche, antimicotiche, antivirali, antitumorali, insetticide, alghicide e immunosoppressive.

La produzione di molecole antimicrobiche è uno dei caratteri fenotipici che possono essere indotti dallo stile di vita dei biofilm. La secrezione di antimicrobici per inibire o rendere inattivi altri microrganismi è, infatti, uno dei principali fattori di competitività. In aggiunta, poiché tali processi possono richiedere sforzi metabolici non indifferenti per la singola cellula, alcune specie batteriche hanno evoluto sistemi di controllo, attraverso i quali è possibile avviare la produzione di composti antimicrobici solo quando le loro popolazioni sono abbastanza grandi da poter accumulare concentrazioni efficaci.

Resistenza agli antibiotici

Sebbene i primi antibiotici siano stati ottenuti sinteticamente, la scoperta della penicillina negli anni ’40 ha presto spostato l’attenzione verso i prodotti naturali di origine microbica. Il primo isolato di un batterio resistente a tale sostanza, Staphylococcus aureus, è stato descritto nel 1947, solo un paio d’anni dopo l’introduzione nel mercato di questo antibiotico. L’origine dei geni associati alla resistenza riveste un’importanza significativa per la nostra comprensione dell’evoluzione e della diffusione di meccanismi immuno-resistenti nei patogeni.

Staphylococcus aureus, è stato descritto nel 1947, solo un paio d’anni dopo l’introduzione nel mercato di questo antibiotico. L’origine dei geni associati alla resistenza riveste un’importanza significativa per la nostra comprensione dell’evoluzione e della diffusione di meccanismi immuno-resistenti nei patogeni.

Preoccupata per la potenziale minaccia che questa situazione pone in termini di salute pubblica, l’Organizzazione Mondiale della Sanità ha recentemente pubblicato un elenco di antimicrobici di importanza critica per la medicina umana.

Molti dei patogeni batterici associati all’uomo hanno nel tempo evoluto forme multi-resistenti, tanto da essere definiti “superbatteri”. Esempi di questi includono: Mycobacterium tuberculosis multiresistente, Acinetobacter baumannii, Burkholderia cepacia, Campylobacter jejuni, Citrobacter freundii, Clostridium difileile, Enterobacter spp., Enterococcus faecium, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella spp., Serratia spp., S. aureus, Staphylococcus epidermidis, Stenotrophomonas maltophilia e Streptococcus pneumoniae.

Le terapie per gli agenti patogeni sopraindicati risultano ridotte, i periodi di ospedalizzazione sono prolungati e le cure costose. Proprio il riconoscimento di questa delicata problematica ha portato la Infectious Diseases Society of America a lanciare nel 2010, l’iniziativa ‘’10 × ‘20’’, perseguendo un impegno globale per lo sviluppo di 10 nuovi farmaci antibatterici entro il 2020.

La Teixobactina

È ormai generalmente accettato che il parvoma microbico rappresenti una risorsa promettente per la scoperta di nuovi farmaci antibatterici.
Un esempio è la Teixobactina (https://www.microbiologiaitalia.it/2016/11/25/teixobactina-un-antibiotico-superbatteri/), un antibiotico polipeptidico, la cui scoperta è stata pubblicata il 7 gennaio 2015 sulla rivista Nature. Questo composto è risultato attivo contro batteri patogeni Gram-positivi che avevano sviluppato resistenza nei confronti degli antibiotici precedentemente disponibili sul mercato. La ricerca è stata condotta dai ricercatori della Northeastern University di Boston (Massachusetts), i quali hanno lavorato direttamente su colonie batteriche in situ presenti nel suolo, mediante l’utilizzo di apposite tecniche colturali (iChip).

Eleftheria terrae, un batterio Gram-negativo capace di produrre Teixobactina.

La ricerca farmacologica nel mondo sotterraneo

Lo studio e la ricerca di questi organismi ha spinto ad esplorare le zone più remote della terra, dalle profondità marine a quelle sotterranee.

Sebbene la biodiversità microbica nei biofilm delle grotte sia ancora poco esplorata, molti dei taxa batterici descritti in questi ambienti (Actinobacteria, Proteobacteria e Firmicutes) sono tra le fonti più conosciute di prodotti farmaceutici naturali. In particolare, gli Actinobacteria, rappresentano il phylum dal quale provengono due terzi dei nostri antibiotici.

Questi ecosistemi incontaminati promuovono l’esistenza di geni modellati dalla selezione naturale in condizioni difficili, sviluppando capacità metaboliche che si rinvengono difficilmente in altri luoghi. L’inaccessibilità a tali ambienti ha ridotto il disturbo da parte dell’uomo, contribuendo alla conservazione di un inestimabile patrimonio genetico.

Importanti fattori biotici e abiotici

Le cavità differiscono l’una dall’altra per la varietà di fattori abiotici e biotici e mettono a disposizione per i microrganismi un mosaico di microhabitat differenti da poter sfruttare in base alle numerose esigenze metaboliche. Tali condizioni quindi, oltre a plasmare le comunità microbiche presenti, possono influenzare altri numerosi aspetti, tra questi la produzione di metaboliti secondari.

I risultati di un recente studio ad esempio, hanno mostrato come l’aumento della profondità e influisca sull’attività antimicrobica da parte della microflora autoctona isolata. Ad ogni modo, sono necessarie ulteriori indagini per determinare l’importanza di altri fattori (come ad esempio temperatura, pH, età delle cavità, etc.) o la sinergia tra le diverse componenti.

Il turismo sotterraneo ad esempio, è un aspetto da non sottovalutare, in quanto comporta l’introduzione una notevole varietà di materiali estranei come capelli, fibre degli indumenti e particelle di polvere. Una maggiore disponibilità di nutrienti favorisce l’introduzione e la persistenza di microrganismi alloctoni, i quali potrebbero alterare in maniera negativa struttura e composizione delle comunità microbiche cavernicole.

Conservazione

L’obiettivo finale di questi studi è quello di determinare, ed eventualmente preservare, gli habitat in cui risiedono batteri con spiccate capacità antimicrobiche, ponendo così le basi per future ricerche su nuovi antibiotici. Le grotte rappresentano laboratori interdisciplinari che possono migliorare le nostre conoscenze in diversi ambiti, pertanto, è necessario conservare il più possibile l’intero ambiente sotterraneo al fine di non interrompere questo affascinante e sconfinato percorso di ricerca.

Riferimenti bibliografici:

Axenov-Gibanov, D. V., Voytsekhovskaya, I. V., Tokovenko, B. T., Protasov, E. S., Gamaiunov, S. V., Rebets, Y. V., … & Timofeyev, M. A. (2016). Actinobacteria isolated from an underground lake and moonmilk speleothem from the biggest conglomeratic karstic cave in Siberia as sources of novel biologically active compounds. PloS one11(2), e0149216.

Ling, L. L., Schneider, T., Peoples, A. J., Spoering, A. L., Engels, I., Conlon, B. P., … & Jones, M. (2015). A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance. Nature517(7535), 455.

Bhullar, K., Waglechner, N., Pawlowski, A., Koteva, K., Banks, E. D., Johnston, M. D. & Wright, G. D. (2012). Antibiotic resistance is prevalent in an isolated cave microbiome. PloS one7(4), e34953.

Cheeptham, N. (Ed.). (2012). Cave microbiomes: A novel resource for drug discovery (Vol. 1). Springer Science & Business Media.

Informazioni su Ilaria Vaccarelli 4 Articoli
Sono dottoressa in Scienze e Tecnologie per l'Ambiente e speleologa. Amo girovagare sopra, sotto e dentro le montagne, ma il mio più grande interesse riguarda la microbiologia degli ambienti sotterranei.

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