Patobiota: quando la simbiosi si fa offensiva

Si fa presto a dare del patogeno ad un nematode. Bisognerebbe tener presente che molta nocività si deve ad un concerto di microrganismi, suoi simbionti, che in tempi di pace gli donano un microbiota. In tempi di guerra, quando lo risparmiano come ospite, lo armano contro un brulicante mondo di setole ed antenne. E si rivelano un vero «patobiota».

Da interazioni monòxene al patobiota

Monòxeni, dal provvido greco antico μόνος «unico» e ξένος «ospite», sono quegli organismi, con habitus parassitario, il cui ciclo vitale si completa a spese di un unico ospite. A ciclo vitale diretto, si suole anche definirli brevemente. L’interazione tra un nematode ben noto all’agronomia illuminata, lo Steinernema ed un simbionte batterico, lo Xenorhabdus, sono un acclarato esempio di associazione monòxena. Responsabile dell’eliminazione di alcuni insetti dannosi (Figura 1) per l’economia vegetale umana, questa associazione microbio-zoologica viene ampiamente impiegata per il controllo della cosiddetta peste degli insetti.

Ma i ricercatori guidati da Jean-Claude Ogier si sono spinti oltre la semplice osservazione dell’assodato paradigma monòxeno. Hanno tracciato, infatti, il profilo microbiologico dello stadio infettivo giovanile del nematode (infective juveniles –IJs), cioè la forma libera nel suolo, responsabile della trasmissione simbiotica, all’interno degli insetti ospiti del nematode.

Steinernema e Xenorhabdus: un modello in revisione

Già Nielsen-LeRoux e colleghi avevano focalizzato le proprie prove sperimentali, sul tema patogenesi e mutualismi, osservando espressamente il sistema-modello Steinernema–Xenorhabdus. Questo perchè i due organismi instaurano una vera e propria associazione di mutuo sostegno durante il ciclo vitale dell’ospite, che si articola in 3 diverse fasi.

La fase iniziale è rappresentata dalla forma infettiva giovanile (IJs) di Steinernema, libero residente del suolo, dotata già di batteri nel proprio intestino. Incontrando, poi, una larva d’insetto viva, la forma IJ penetra nell’intestino del futuro insetto, mediante perforazione della parete enterica pro-iniezione del simbionte Xenorhabdus nell’emoceloma, proto-sistema emocircolatorio. Infatti è proprio nell’emolinfa, metazoico surrogato sanguigno, che il simbionte Xenorhabdus, in veste di patogeno, si replica e, come di prammatica, uccide alla fine l’insetto invaso. Questa è la seconda fase.

Ma neanche il cadavere si libererà degli invasori. In esso, infatti, i batteri contribuiranno alla maturazione, in individuo adulto, della forma giovanile del nematode che nel frattempo si è fatta anch’essa largo nell’organismo perduto dell’insetto. Allo scopo, i tessuti del martoriato entomo ospite vengono degradati, per nutrire il nematode. Questo poi, ben in forze, partirà alla strenua ricerca di nuove risorse nutritive, nel suolo, competendo tenacemente con suoi diretti avversari. La fase conclusiva.

Ma ogni coda di processo è, in natura, il capo di un nuovo ciclo identico od omologo: una volta esaurite anche queste risorse esterne, nuove forme giovanili infette IJs del nematode si formeranno, si riuniranno, dotate del loro simbionte batterico e torneranno libere nel suolo. Una nuova vittima, una nuova generazione. Una nuova fase iniziale.

Dall’esclusività monòxena al patobiota: lo studio

Il simbionte Xenorhabdus nematophila, secondo quanto scoperto già da Holly Snyder, si trova confinato in un’area dedicata a tale scopo, nell’intestino del nematode, definito ricettacolo. Dall’osservazione di questi aspetti anatomo-istologici, il paradigma monòxeno emerge come status naturale nella simbiosi sotto studio. Eppure, molti altri studi colturali svelano associazioni con batteri differenti, oltre questa. Batteri non identificati, per esempio, sono stati riscontrati negli spazi intercellulari tra le cuticole di seconda e terza fase.

Così, in questo nuovo lavoro, i ricercatori hanno impiegato metodiche di metabarcoding per far parlare i genomi batterici presenti nel nematode Steinernema carpocapsae, allevato in laboratorio. Molti ceppi e lotti provenienti da diversi laboratori differenti hanno sostanziato i risultati emersi.

Analisi di metabarcoding multigenico

Le indagini nel campo della metagenomica consentono di addentrarsi nella composizione delle comunità microbiche, direttamente nell’ambiente in cui vivono, superando, quindi, gli incerti delle fasi di prelievo e coltura in laboratorio. Il metabarcoding, in particolare, consente di determinare l’identità microbiologica degli organismi, mediante il sequenziamento di regioni ipervariabili del gene 16S di rRNA (da una regione V1 fino ad una regione V9). Esse contengono, infatti, una diversità di sequenza sufficiente a distinguere e classificare i vari microbi.

Il questo studio, le regioni sequenziate corrispondono a V3 e V4: da queste preziose segrete genomiche, i ricercatori hanno portato alla luce una correlazione tra patterns microbiologici e filogenesi del nematode ospite. Dati preliminari, s’intende. Inoltre, i dati metagenomici hanno ben mostrato che la comunità batterica, associata alle forme infette giovanili IJs di nematode, allevate in laboratorio, S. carpocarpsae, S. feltiae, S. glaseri e S. weiseri, ospita numerosi Proteobacteria. L’associazione S. carpocapsae – X. nematophila, dunque, non è mai monòxena. Proprio le forme giovanili IJs, perciò, sono risultate accompagnate da un core di simbionti, definiti collettivamente FAM: microbiota frequentemente associato.

Approfondimenti colturali: così spunta l’idea del patobiota

Il passo successivo alla cattura di un dettaglio compositivo, per l’umana scienza, è quello di provare a mimare e riprodurre lo stato dell’arte. Così, i ricercatori hanno condotto un ampio saggio di isolamento batterico dalle forme IJs del nematode. Su un mezzo di coltura ricco in nutrienti, hanno isolato solo batteri Gram-negativi:

Brevundimonas
Ochrobactrum
Pseudochrobactrum
Achromobacter
Alcaligenes
Stenotrophomonas
Xenorhabdus
Pseudomonas

Tra questi, Pseudomonas protegens e Pseudomonas chlororaphis hanno interagito sensibilmente con gli altri membri del microbiota del nematode. Durante un saggio d’attività antimicrobica su piastre di agar, i ceppi di Xenorhabdus nematophila hanno espresso una capacità antimicrobica debole, mentre i due ceppi di Pseudomonas hanno avuto la meglio sia sul simbionte ex-monòxeno, sia sugli altri componenti del microbiota. Che siano proprio loro, P. protegens e P. chlororaphis i portabandiera di un franco «patobiota»?