Sesso promiscuo e parentela in Bacillus subtilis

Introduzione

Bacillus subtilis è un batterio del suolo Gram-positivo, non patogeno, mobile e con forma di bastoncello. Le analisi genomiche comparative basate su microarray hanno rivelato che i membri di questa specie sono caratterizzati da una grande diversità genomica. Inoltre, possiede una grande capacità di adattamento e differenziazione genica: B. subtilis, infatti, può essere isolato in diversi ambienti – terrestri e/o acquatici – e può crescere in vari ambienti all’interno della biosfera. Bacillus subtilis riesce ad avere una vita sociale molto diversificata, spesso regolata dal fenomeno del cosiddetto quorum sensing (QS; Fig. 1). Tra le interazioni si osservano anche quelle relative al “sesso” e allo scambio di materiale genetico. Solitamente, l’assorbimento di DNA avviene tra ceppi strettamente correlati, ma è stato anche osservato un possibile scambio tra due ceppi che interagiscono tra loro.

Figura 1 – Quorum sensing nei batteri [Credits: Darcy Cook]
Figura 1 – Quorum sensing batterico [Fonte: Darcy Cook]

Recenti studi relativi alla parentela hanno dimostrato che ceppi altamente correlati geneticamente tendono a cooperare, mentre ceppi meno correlati assumono un comportamento antagonista che si concretizza sotto forma di uccisione.

Tuttavia, nel contesto dello scambio di materiale genetico si è osservato un aumento della ricombinazione. In particolare, l’induzione di competenza tra ceppi non affini è associata ad un elevato assorbimento di DNA che, attraverso una maggiore variazione genetica, può aumentare il tasso di adattamento del ceppo risultante.

Pertanto, si parla di un nuovo e particolare meccanismo evolutivo che può essere definito come ”sesso promiscuo ma sicuro”. Si verifica, per via di un contatto tra cellule batteriche, uno scambio di DNA che pare sia utile alla diversificazione dei conspecifici così da escludere il DNA non specifico e potenzialmente rischioso proveniente da altre specie.

In generale, quale potrebbe essere la migliore strategia per creare una nuova generazione?

La soluzione più semplice è quella di creare copie genetiche (cloni). Tale strategia è rapida, efficiente e permette che tutti i geni vengano trasmessi alla generazione successiva in copia esatta. Un’altra possibilità è quella di mettere in atto una “qualche forma di sesso”. In questo secondo modo è possibile mescolare/ricombinare il materiale genetico.

Di conseguenza, il sesso è un ottimo modo per acquisire nuove combinazioni di geni anche se non sempre risulta essere evolutivamente vantaggioso. Allora, quale può essere la migliore strategia? La seconda, relativa al sesso, è sicuramente migliore perché aumenta la diversità genetica, accelerando così l’evoluzione e l’adattamento delle popolazioni rispetto le mutevoli condizioni ambientali.

La sessualità nel mondo batterico

Assunto che la sessualità esiste perché permette di avere nuove combinazioni genetiche quindi generare variazioni che possano essere utili per l’adattamento, non sono ancora note le ragioni precise per cui si è sviluppato il “sesso batterico”. Non è ancora chiaro se si sia evoluto per massimizzare la diversità e l’adattamento, per preservare/riparare i geni esistenti o se serve ad acquisire DNA come fonte energetica (cibo).

Di sicuro, i batteri non si impegnano nella riproduzione sessuale di per sé ma praticano il cosiddetto Trasferimento Genico Orizzontale (HGT), che viene solitamente considerato come una combinazione di tre processi distinti: trasformazione, coniugazione e trasduzione. L’ HGT rappresenta la forza dominante nell’evoluzione batterica ed è ormai comunemente diffusa l’idea che sia è un processo genetico strettamente legato all’adattamento batterico.

In particolare, la trasformazione batterica prevede l’acquisizione di DNA extracellulare e l’integrazione all’interno del genoma. Inoltre, rappresenta l’unico meccanismo di che è interamente codificato sul cromosoma e quindi potrebbe essersi evoluto come una forma di “sesso batterico” (Fig. 2).

Figura 2 – Rappresentazione meccanismi di scambio/acquisizione di DNA [Credits: Vernikos et al., 2014]
Figura 2 – Rappresentazione meccanismi di scambio/acquisizione di DNA [Fonte: Vernikos et al., 2014]

Bacillus subtilis rappresenta una di quelle specie naturalmente competenti, ossia capaci di acquisire DNA dall’esterno. Gli studi su questo organismo hanno dimostrato che la frequenza di trasformazione diminuisce drasticamente con la divergenza di sequenza donatore/destinatario. Pertanto, il DNA più frequentemente assorbito era quello di microrganismi strettamente correlati geneticamente.

Relazione tra sesso e parentela

Il fenomeno di esclusione del DNA proveniente da microrganismi diversi e non da ceppi strettamente correlati pare sia simile a ciò che accade quando ceppi uguali o diversi entrano in contatto tra loro. Infatti, si osserva una selezione/discriminazione. In particolare, si manifestano dei confini tra ceppi meno strettamente correlati (non-Kin; <99,4% di identità nucleotidica), mentre contatti tra ceppi altamente correlati (Kin; >99,9% di identità nucleotidica) evidenziano un pattern di sciamatura che prevede fusione anziché formazione di bande di confine (Fig. 3).

Figura 3 – Rappresentazione sciamatura di ceppi kin e non-kin [Credits: Stefanic P. et al., 2021]
Figura 3 – Rappresentazione sciamatura di ceppi kin e non-kin [Credits: Stefanic P. et al., 2021]

Tuttavia, nonostante le somiglianze, non è stato ancora ben compreso come la parentela possa in qualche modo influenzare anche il trasferimento genico orizzontale e perché Bacillus si sia diversificato in molti tipi diversi praticando queste naturali discriminazioni.

Analisi e risultati – Il miglioramento evolutivo associato al sesso promiscuo

In primo luogo, sono stati selezionati sei ceppi di tipo selvatico B. subtilis ed è stato calcolato il loro grado di parentela utilizzando l’identità nucleotidica media. Questa verifica ha confermato, unitamente ad esecuzione di indagini correlate alla swarming motility, che i ceppi altamente correlati (99,94-99,97%) potevano fondersi tra loro, mentre i ceppi che formavano bande di separazione erano meno correlati (98,63-98,74%). Successivamente, è stato verificato se il trasferimento genico mediante trasformazione era più frequente nelle coppie formanti bande di separazione rispetto le coppie che si uniscono durante la sciamatura.

In dettaglio, laddove i ceppi kin si sono fusi erano presenti cellule intatte, mentre nei punti di separazione tra ceppi non-kin vi erano cellule sgonfie associate alla lisi cellulare. In diversi lavori precedenti è stato dimostrato che lo stress e il rilascio di antimicrobici possono indurre la competenza in molte specie per via della lisi cellulare ed il rilascio di DNA che ne consegue.

Anche durante queste analisi, la frequenza di scambio del DNA è stata significativamente più alta per le coppie di ceppi non-kin (meno correlati, separati tra loro e aventi cellule lisate nei punti di separazione) rispetto alle coppie di ceppi kin (correlati e fusi tra loro). I risultati ottenuti hanno dimostrato che la competenza è indotta nel punto di incontro di ceppi non affini meno correlati (non-kin) e che questo fenomeno è rafforzato ulteriormente attraverso la risposta allo stress.

Inoltre, come osservato anche in precedenza, la trasformazione può provocare l’assorbimento di alleli o geni con un effetto benefico sulla fitness (vantaggio ecologico), portando ad un miglioramento evolutivo dei ceppi coinvolti in termini di adattamento a nuove pressioni selettive.

Conclusioni

Lo sviluppo della competenza è associato a feromoni specifici ed i ceppi che portano feromoni diversi sembrano capaci di inibire lo sviluppo della competenza l’uno dell’altro in mezzi liquidi. In queste prime analisi sul tema, si evince come accada l’up-regolazione della competenza in caso di interazioni e di conseguenza maggiore scambio di DNA. Inoltre, è stato dimostrato che se la ricombinazione tra i DNA più divergenti è meno efficiente, questo viene compensato da un assorbimento più efficiente del DNA.

Si osserva un “sesso batterico” intra-specie che risulta essere molto superiore in conspecifici meno strettamente correlati (non-kin) attraverso un meccanismo di up-regolazione della competenza dipendente dalla discriminazione di parentela e legato alla risposta allo stress mediata da sigW. Accoppiando la competenza con la lisi dei ceppi vicini affini, la probabilità di un’efficiente incorporazione di nuovi alleli e geni risulta essere massimizzata.

In aggiunta, i fenomeni osservati supportano l’ipotesi secondo cui l’assorbimento del DNA avvenga per ottenere una “diversificazione del genoma” invece che per la “riparazione del genoma” o per “ottenere energia”. Infine, si può affermare che per certi versi B. subtilis mette in atto un “sesso promiscuo ma sicuro“, quindi un tipo di scambio di DNA tra ceppi non strettamente correlati, utile a migliorare la diversificazione genetica e la capacità di adattamento ecologico.

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