Antibiotico resistenza: la forma dei batteri come fattore di sopravvivenza

Analisi dell’adattamento di forma dei batteri

Shiladitya Banerjee, Professore Associato del Dipartimento di Fisica della Carnegie Mellon University, ci parla della sua ricerca sull’adattamento dei batteri al trattamento antibiotico nel suo ultimo articolo pubblicato su Nature Physics. Si tratta dell’interessante scoperta compiuta su alcune specie batteriche in grado di adattarsi ai lunghi periodi di esposizione ad antibiotici cambiando la loro forma fisica. Una vera e propria evoluzione darwiniana, atta all’adattamento di questi organismi in uno specifico ambiente. La ricerca del Prof. Banerjee si è focalizzata soprattutto sulla meccanica e fisica cellulare inerente il cambiamento morfologico per migliorare i processi di riproduzione e sopravvivenza. In particolare il suo studio è concentrato sui cambiamenti morfologici dei microorganismi esposti a lungo termine ad antibiotici, prendendo come organismo modello Caulobacter crescentus.

Sperimentazione sui cambiamenti di forma batterici

Facendo esperimenti su singola cellula e modellazione teorica, Banerjee e colleghi hanno dimostrato come i cambiamenti morfologici degli organismi unicellulari sono strategie basate su feedback per rendere i batteri capaci di adattarsi rapidamente alla sopravvivenza da antibiotici. Un esempio concreto viene dato dall’analisi fatta su Caulobacter crescentus esposto a basse concentrazioni di  cloramfenicolo (CHL). Il farmaco non era abbastanza abbondante per uccidere i batteri quanto più per rallentarne crescita e ciclo cellulare. I batteri tendono a cambiare forma tramite feedback meccanico “allungandosi”, cioè estendendosi ai poli, fino ad assumere una forma a “C” (Fig.1). La parete cellulare dei batteri è rimasta intatta, ma la loro morfologia è cambiata tramite questo processo di stretching. Nella nuova forma, i batteri evitavano la penetrazione da parte della molecola antibiotica.

Cambiamento della forma del batterio prima e dopo l'esposizione ad antibiotico.
Figura 1: Cambiamento della forma del batterio prima e dopo l’esposizione ad antibiotico. [Fonte: sciencealert.com]

La morfologia “a C” è stata notata alla decima generazione di batteri esposti a basse dosi di CHL. Questi, che inizialmente avevano un ritmo di crescita basso, una volta completato il processo di feedback meccanico, hanno poi riaccelerato il ciclo cellulare quasi ai livelli di pre-trattamento antibiotico (Fig.2). La nuova forma a C permette a questi batteri di sopravvivere allo stress fisiologico dovuto al CHL e ad accelerare quindi la loro crescita.

Ritmo di crescita dei batteri esposti a diverse concentrazioni di antibiotico (ϕ)
Figura 2: Ritmo di crescita dei batteri esposti a diverse concentrazioni di antibiotico (ϕ). [Fonte: sciencealert.com]

Spiegazione del cambiamento morfologico

Nella nuova forma questi batteri assumono una maggiore larghezza e volume. Secondo gli scienziati in questo modo il microorganismo può diluire le quantità di antibiotico al suo interno e, tramite la forma a C, diminuire il rapporto superficie-volume. In tal modo ci sarà una concentrazione minore di CHL ad interagire con la superficie cellulare e quindi un minor numero di molecole a penetrare la parete. Ovviamente questo cambiamento non è immediato. Come si nota nell’immagine sovrastante, le prime generazioni di batteri esposte al CHL rallentano notevolmente la crescita e non sono preparate a proteggersi. Il cambiamento morfologico comincia ad avvenire intorno alla quinta generazione, mentre alla decima la popolazione batterica si è ormai completamente adattata. Dato ciò i microrganismi riaccelerano il loro ciclo cellulare, la crescita e la velocità di riproduzione.

Conseguenze per l’uomo

Non è la prima volta che i ricercatori osservano un simile fenomeno. Già nel 2019 un altro gruppo di scienziati aveva osservato batteri patogeni cambiare forma e composizione per adattarsi allo stress antibiotico, diventando però più “mollicci”, ossia cambiando volume e densità questi organismi apparivano meno rigidi e dalla superficie più mobile. In questo modo veniva resa più difficile la penetrazione della parete cellulare da molecola antibiotiche. Un po’ come nel tiro a bersaglio se quest’ultimo si muove rende più difficile fare centro, la superficie più ondeggiante dei microrganismi appariva più difficile da ancorare per il farmaco. Questi batteri si proteggevano anche nella trasformazione morfologica, assumendo una forma curva ad “L”. Il Prof. Banerjee conclude la sua pubblicazione affermando:

“Il cambiamento morfologico dei batteri per contrastare l’azione antibiotica è sicuramente argomento di futuri studi molecolari, in quanto questi organismi si accostano ai “superbug” come nuove minacce alla salute pubblica.”

Diego Maiolatesi

Fonti

  • Carnegie Mellon University. “By changing their shape, some bacteria can grow more resilient to antibiotics.” ScienceDaily. ScienceDaily, 30 January 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210130092739.htm>
  • Banerjee, S., Lo, K., Ojkic, N. et al. Mechanical feedback promotes bacterial adaptation to antibiotics. Nat. Phys. (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01079-x
  • Antibiotic resistance: researchers have directly proven that bacteria can change shape inside humans to avoid antibioticsSeptember 30, 2019 11.17am BST
  • Fonte Immagine in evidenza: Microbiologia Italia

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