Batteri predatori, gli antibiotici di domani?

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Nel bel mezzo del lago di Ginevra, l’attacco avviene in un lampo. Poche possibilità di fuga! La vittima è un batterio marino, Limnohabitans planktonicus, la cui taglia non supera i due micrometri. Il predatore è anche lui un batterio, più piccolo. Il genere Peredibacter si nutre infatti dei propri simili. La preda, che si ciba di materia organica liberata dal fitoplancton, non si è accorta di nulla. Occorre riconoscere che la legge della giungla si applica anche al mondo dei microrganismi. I batteri marini giocano un ruolo fondamentale nell’ecosistema, ciò non impedisce che essi siano le prede di batteri predatori o parassiti molto efficaci.

Oltre ai batteriofagi, o fagi, altri predatori, come gli organismi unicellulari che possiedono un flagello, ciglia o alcuni metazoi appartenenti allo zooplancton (o plancton animale), sono ben noti ai biologi. I batteri che si cibano dei loro simili lo sono meno, ma ultimamente è stato riconosciuto un gruppo di batteri che influisce sul controllo della popolazione microbica. Alcuni di essi fanno parte dello stesso gruppo funzionale, dei Bdellovibrio o Balo (Bdellovibrio and like organisms).

Da qualche anno, grazie alle nuove tecniche d’ingegneria genetica e della bioinformatica, si è cominciato a conoscere meglio questi batteri e il loro impatto ecologico. Essi stanno diventando, così, effettivi candidati della lotta alla resistenza batterica in acquacoltura, così come in agricoltura e in medicina.

Una scoperta accidentale

In campo scientifico, a volte il caso è un importante fattore d’innovazione. Il principio di Archimede, la radioattività, la penicillina, il DNA e altre numerose scoperte sono il frutto di scoperte casuali. Questo vale anche per i Balo. Nel 1962, l’anno della morte di Marilyn Monroe e dell’arresto di Nelson Mandela, il microbiologo Heinz Stolp conduceva un esperimento all’Istituto di batteriologia di Berlino. Il suo lavoro era volto all’isolamento di batteriofagi specifici della specie batterica Pseudomonas syringae pv. phaseolicola, responsabile della maculatura alonata, una malattia batterica che interessa i fagioli. A corto di filtri necessari per ottenere dei campioni sterili, Stolp decise di sostituirli con filtri in vetro sinterizzato, anche se meno selettivi.

Per identificare i batteriofagi, un metodo consiste nell’osservare delle cosiddette “placche di lisi”, cioè dei buchi su un tappeto batterico che indicano un’avvenuta infezione batterica. Stolp lasciò dunque incubare le piastre di batteri sperando di vedere, il giorno dopo, delle placche di lisi. Tuttavia, così non fu: nessun buco era visibile. Naturalmente, Stolp avrebbe dovuto buttare le piastre, invece le conservò due giorni in più. Contro ogni aspettativa, delle placche di lisi apparirono! Incuriosito, Stolp esaminò i fori al microscopio. Quello che vide fu un’incredibile sorpresa: dei batteri si muovevano a tutta velocità, attaccandosi a volte ad alcune cellule, e distruggendole.

Piccoli ma temibili

I Balo sono dei batteri gram-negativi, dotati di un flagello. Questo, quando non sono attaccati alla loro preda, li rende estremamente mobili. Infatti, essi sono capaci di spostarsi 160 micrometri per secondo, nonostante siano molto meno lunghi di Escherichia coli, lungo circa 3 micrometri.

Ma piccolo non significa innocuo! Anzi, questi temibili predatori possono attaccare numerosi ospiti indipendentemente dalla loro fisiologia, taglia o pedigree, mentre i batteriofagi, hanno spesso un ospite specifico (Figura1).

Figura 1 – Bdellovibrio bacteriovorus si nutre di un altro batterio più grande attaccandosi ad esso, come mostra questa fotografia presa con un microscopio elettronico a trasmissione.

Scoperti inizialmente nel terreno e poi in diversi ambienti marini, i Balo sono dappertutto: oceani, laghi, depuratori, acque d’irrigazione, risaie, rizosfere e feci animali. Di fatto, anche se dal punto di vista numerico non dominano il loro ambiente, sono comunque abbastanza numerosi da poter essere identificati con tecniche comuni di biologia molecolare.

A prima vista, potremmo vedere i Balo come dei parassiti, degli organismi che si sviluppano in o su un altro organismo, uccidendolo. Gli specialisti di questi batteri, però, li definiscono come dei predatori. Proprio come quest’ultimi, infatti, essi inducono rapidamente la morte della preda (15 o 20 minuti in seguito all’attacco), ben prima dello sviluppo della loro progenie.

Tuttavia, al contrario dei grandi predatori, la maggioranza dei Balo non consuma la vittima davanti a tutti. Se alcuni restano all’esterno della loro preda (predazione epibiotica), la maggior parte la utilizza come un rifugio temporaneo (predazione endobiotica). Così facendo, i Balo si proteggono dai cambiamenti delle condizioni ambientali e dai batteriofagi. Una volta moltiplicati all’interno dell’ospite, la loro progenie distrugge la cellula ospite e si ritrova nell’ambiente circostante, pronta a riavviare il ciclo con un’altra preda (Figura 2).

Figura 2 – Ciclo di Bdellovibrio differenziato in fase di attacco (Attack Phase) e fase di crescita (Growth Phase) durante cui il batterio si riproduce e distrugge la preda.

Una caccia in solitaria, ma una vasta scelta di prede 

Nell’albero della vita, i Balo non costituiscono un gruppo monofiletico: non hanno un antenato comune. Ciò che determina un Balo come tale non è tanto legato all’impronta genetica, quanto alla sua modalità operativa. Prima di tutto, sono dei predatori obbligati: essi sono incapaci di vivere in ambienti privi di una preda. Solo in laboratorio, è stato osservato che nonostante l’assenza di preda, se coltivati in un ambiente molto ricco in nutrimenti, alcuni tipi di Balo sono capaci di sopravvivere.

Inoltre, la loro strategia di predazione é individuale. Durante la predazione endobiotica, i Balo impediscono ad altri Balo di infettare quel batterio tramite l’emissione di una molecola che funge da segnale di “batterio occupato”.

Spostandosi dall’altra parte della barricata, cioè parlando delle prede, la maggioranza degli studi hanno confermato che i Balo preferiscono nutrirsi di batteri gram-negativi. Se si dà loro la scelta, essi consumano prima quelli che incontrano abitualmente nel loro ambiente. Le prede possono essere di tutti i tipi, patogeni o commensali di piante, degli animali o umani. Tuttavia, un gruppo di ricercatori della Sapienza di Roma, sotto la direzione di Serena Schippa, ha osservato un nuovo fenomeno: il Balo Bdellovibrio bacteriovorus attacca anche batteri gram-positivi.

Una risorsa contro l’antibiotico-resistenza

In seguito all’aumento dell’antibiotico-resistenza, i Balo, come i batteriofagi, sono diventati dei candidati interessanti per numerose applicazioni volte a controllare le popolazioni batteriche. Nell’uomo, infatti, i batteri gram-negativi sono responsabili di più del 30% di infezioni contratte negli ospedali (infezioni nosocomiali).

In particolare, sono associati ad un tasso di mortalità spesso troppo elevato nelle unità di terapia intensiva. Nel 2015, in Europa, sono state registrate circa 700.000 infezioni dovute ad antibiotico-resistenza, le quali hanno comportato 33.000 decessi. Per quanto riguarda gli animali, invece, l’utilizzo di antibiotici è diminuito solo in certi paesi europei, ma non è ancora abbastanza. La situazione, dunque, è molto preoccupante e il ricorso a soluzioni alternative è indispensabile.

Finora, in seguito all’utilizzo dei Balo, molteplici esperienze si sono rivelate promettenti contro le malattie umane e animali. La mucoviscidosi, in particolare, è una malattia genetica letale, caratterizzata da una colonizzazione batterica cronica delle vie respiratorie inferiori. Bdellovibrio bacteriovorus è stato identificato nel microbiota polmonare di soggetti sani, segno che questo batterio può sopravvivere nel nostro corpo a priori, senza risultare tossico.

Nel 2014, il gruppo di Serena Schippa ha esaminato il loro utilizzo nella rimozione dei batteri responsabili della mucoviscidosi, Pseudomonas aeruginosa (gram-negativo) e Staphylococcus aureus (gram-positivo). Dopo aver prelevato questi batteri da pazienti affetti dalla malattia, i ricercatori li hanno messi in coltura e testato i Balo su ciascuno. Dopo 24 ore, B. bacteriovorus ha mostrato di poter ridurre i biofilm prodotti da ciascun batterio del 70%. L’inoculazione di B. bacteriovorus all’inizio del processo di colonizzazione, potrebbe, dunque, contribuire a controllare l’instaurarsi di una colonizzazione cronica.

Dei Balo contro la parodontite?

I Balo potrebbero costituire anche una risorsa nella lotta contro la parodontite, una malattia infettiva caratterizzata da batteri di specie diverse che provocano l’infiammazione dei tessuti che sostengono l’apparato dentale. I trattamenti classici, volti alla rimozione del biofilm formati dai batteri tramite antibiotici, si stanno rivelando sempre più complicati ed inefficaci. Cosi, nel 2011, il team di Wim Teughels, dell’Università Cattolica di Lovanio, ha mostrato come diverse specie di Balo fossero in grado di attaccare sei diverse specie di batteri patogeni della placca dentaria.

In questo caso, come ha dimostrato il team di Romeo Patini, dell’Università cattolica del Sacro Cuore di Roma, l’azione dei Balo è ostacolata dalle condizioni anaerobiche (senza ossigeno) in cui i batteri che popolano i tessuti parodontali si riproducono.

Tuttavia, alcuni esperimenti condotti in vivo su pesce-zebra suggeriscono che Bdellovibrio bacteriovorus potrebbe aiutare a combattere il ceppo Shigella flexneri resistente a due antibiotici, la streptomicina e la carbenicillina. I batteri Shigella, gram-negativi, fanno parte degli agenti patogeni che causano la dissenteria. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, essi sono responsabili di più di un milione di decessi l’anno nel mondo, principalmente nei paesi in via di sviluppo.

La protezione degli allevamenti di gamberi

Oltre agli umani, anche l’acquacoltura e gli allevamenti sono interessati dalla resistenza batterica. Nei gamberi a zampe bianche (Panaeus vannamei), allevati in acqua dolce in America e Asia, diversi batteri del genere Vibrio, come V. parahaemolyticus e V. cholerae, sono la causa di epidemia che possono coinvolgere il 90% degli allevamenti, la cui infezione non è sempre controllabile con gli antibiotici. In Cina, l’acquacoltura produce annualmente 300.000 tonnellate di gamberi destinati al mercato alimentare.

Anche in questo caso, i Balo offrono una risorsa interessante. Nel 2015, Haipeng Cao, dell’Università Oceanica di Shangai, è riuscito a eradicare dieci ceppi patogeni di Vibrio utilizzando B. bacteriovorus. Inoltre, ha dimostrato i Balo hanno un effetto di protezione per i gamberi: riproducendo l’esperienza in vivo, i ricercatori hanno osservato che il tasso di sopravvivenza era aumentato di più del 60%.

Sembra peraltro che i batteri predatori non siano nocivi per le colture cellulari umane o animali. Infatti, nessuna malattia è stata mai associata a dei Balo, contrariamente a quanto si osserva con altri ceppi batterici o batteriofagi utilizzati nella terapia fagica.

Nonostante il loro grande potenziale, i Balo continuano ad essere poco studiati. Non c’è però alcun dubbio sul fatto che essi riceveranno una maggiore attenzione in futuro.

I laghi prealpini, fonte di Balo

Le nuove tecniche di sequenziamento ad alta velocità e le tecniche di bioinformatica offrono la possibilità di decifrare la diversità di questi batteri e la loro interazione con l’ambiente circostante. Nel 2017, è stato lanciato un progetto dall’Istituto nazionale della ricerca agronomica (Inra), volto a studiare la diversità, la struttura, l’abbondanza e il ruolo dei Balo nei diversi sistemi ecosistemi acquatici. I primi risultati sembrano essere promettenti.

I ricercatori hanno scoperto che alcuni predatori batterici sono molto abbondanti nei laghi prealpini. La famiglia delle Peredibacteraceae, in particolare il batterio Peredibacter starei, rappresenta fino al 7% dell’abbondanza batterica totale. Le altre due famiglie analizzate, dei Bdellovibrionaceae e dei Bacteriovoracaceae, sono invece poco rappresentate. Queste tre famiglie occupano, oltretutto, zone diverse all’interno di una colonna d’acqua. La prima occupa infatti le superfici, mentre le altre due sono più abbondanti in profondità.

Strategie di vita differenti? Nicchie ecologiche distinte? In futuro lo sapremo. Una cosa è sicura, la prossima volta che vi farete un bagno nel lago di Ginevra, non lo guarderete più allo stesso modo.

Fonti

  • J. A. Ezzedine et S. Jacquet, Bactéries prédatrices: zoom sur les Bdellovibrio et organismes apparentés (BALOs), N3AF, vol. 2, 2019.
  • B. Paix et al., Diversity, dynamics and distribution of Bdellovibrio and like organisms in peri-alpine lakes, Applied and Environmental Microbiology, vol. 85, article 02494-18, 2019.
  • E. Jurkevitch et Y. Davidov, Phylogenetic diversity and evolution of predatory prokaryotes, dans E. Jurkevitch (éd.), Predatori Prokaryotes – Biology, Ecology and Evolution, Springer, 2006.

Federica Angius

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