L’aggregazione dei microrganismi e le nuove strategie di movimento

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Introduzione

Un organismo è un sistema vivente contiguo capace di rispondere a vari stimoli, di riprodursi e di autoregolarsi. Un “superorganismo” invece rappresenta un organismo composto da molti individui che lavorano sinergicamente e possono essere considerati come singola unità. Un esempio di questi organismi sono i biofilm.

Queste strutture possono essere multispecie o monospecie e rappresentano colonie batteriche che nascono da un auto-organizzazione biologica dei microrganismi. Di conseguenza, tutti i biofilm possono essere considerati come un insieme di microrganismi adesi ad una stessa superficie e la loro struttura può variare in relazione alle diverse condizioni ambientali o il tipo di superficie.

Le capacità di movimento

Il movimento è una caratteristica di quasi tutte le forme animali ed anche i batteri hanno sviluppato diversi modi per muoversi in maniera attiva. I microrganismi possono quindi nuotare, sciamare, scivolare o rotolare a seconda della specie, delle condizioni ambientali e della superficie.

Un aspetto probabilmente riconducibile solo al mondo microbico è la capacità di mettere in atto dei movimenti che richiedono l’interazione, nonché collaborazione, tra gruppi di batteri. Infatti, vi sono casi in cui i batteri sono incapaci di adottare movimenti singolarmente e necessitano della collaborazione di altri individui. Il nuoto, lo scivolamento e il ruzzolamento possono essere eseguiti da singole cellule mentre il movimento “in sciame” (swarming) si verifica solo in gruppi cellulari.

Batteri fissi e mobili: quali sono le differenze?

I batteri mobili e quelli non mobili presentano differenze strutturali, cioè l’assenza di strutture adatte al movimento, come si vede nelle Fig. 1 e 2. In particolare, nella Fig. 3, è possibile osservare la presenza del flagello che viene utilizzato come elica e permette al batterio di muoversi nel mezzo dove inizia la crescita (Fig. 2).

Figura 1 - Rappresentazione biofilm per batteri non mobili - [Credit: Lemon et al., 2008] swarming
Figura 1 – Rappresentazione biofilm per batteri non mobili – [Credit: Lemon et al., 2008]
 Figura 2 - Rappresentazione biofilm per batteri mobili - [Credit: Lemon et al., 2008]  swarming
Figura 2 – Rappresentazione biofilm per batteri mobili – [Credit: Lemon et al., 2008]
 Figura 3 - Meccanismo di swarming - [Credit: Kearns, 2008]  swarming
Figura 3 – Meccanismo di swarming – [Credit: Kearns, 2008]

La capacità delle cellule mobili di muoversi è associata non solo alla presenza di strutture biologiche specifiche (ad es. flagelli), ma è anche legata al cosiddetto meccanismo di collaborazione e realizzazione dell’attività di swarming.

Swarming batterico

La motilità associata allo swarming è un chiaro esempio di comportamento sociale presente nel mondo microbico. In dettaglio, il meccanismo di swarming non è legato alla presenza di una singola cellula in movimento ma ad un meccanismo di cooperazione (gruppi di cellule dette “swarmer”) e un esempio ben noto di questo fenomeno è legato al Proteus mirabilis che accede al tratto urinario umano, causando un’infezione, attraverso l’uso di dispositivi medici come i cateteri.

Le cellule sciamanti (swarmer), per realizzare il movimento, hanno spesso bisogno della giusta combinazione di vari elementi e tra questi, vi è la presenza di particolari aminoacidi come la glutammina e l’istidina. Considerando Bacillus subtilis, la regolazione della motilità dello sciame può essere legata al sistema bicomponente ComPA che gioca un ruolo importante.

Alcuni regolatori generali come AbrB e CodY sono necessari per una corretta motilità dello sciame così come la capacità di produrre esopolisaccaridi (EPS) può influenzare questo fenomeno. E’ interessante sottolineare che l’espressione di tutti i geni associati al movimento è anche legata alla posizione della cellula nel modello di sciame osservato.

Una nuova forma di movimento

Studi condotti sulla specie di Pseudanabaena sp. NIES-4403 mostrano la capacità di questo cianobatterio filamentoso di formare strutture associative molto diverse in base alle condizioni. Il meccanismo di formazione di queste particolari strutture non è ancora ben noto.

A tal fine, sono stati effettuati studi basati sulla coltura di vari ceppi, analisi filogenetiche associate al tratto di rRNA 16S, microscopia elettronica e sviluppo di modelli matematici utili a riprodurre le strutture definite come “aggregati vaganti“.

Figura 5 - Morfologia di Pseudanabaena sp. NIES-4403 e distribuzione su piastra - [Credit: Yamamoto et al., 2021]
Figura 4 – Morfologia di Pseudanabaena sp. NIES-4403 e distribuzione su piastra – [Credit: Yamamoto et al., 2021]

Le analisi condotte hanno quindi evidenziato un comportamento collettivo che dà origine a cluster vaganti simili a comete oppure “vortici” chiamati cluster rotanti molto simili a dischi. Si è osservato che la variazione della morfologia dei cluster accade dopo circa 1 giorno dall’inoculo quindi prima avviene la formazione di cluster densi a forma di disco e al variare delle condizioni si verifica il movimento in una struttura a cometa.

Si ipotizza che tale passaggio sia dettato ad un vantaggio in termini di velocità quindi il batterio, mediante questa particolare conformazione, riesce a spostarsi molto più velocemente per fuggire e allontanarsi da condizioni indesiderate.

Strategie in continua evoluzione

La variazione nei meccanismi di movimento sottolinea l’elevata capacità dei microrganismi nell’adattamento a condizioni in continua variazione. La capacità di reazione e lo sviluppo di nuove strategie si basa principalmente sulla capacità di captare e interpretare feedback negativi o positivi. In relazione a questo aspetto, la corretta lettura dei segnali ambientali diventa un elemento fondamentale, talvolta determinante, per lo sviluppo di meccanismi di aggregazione/dispersione più efficienti e utili a garantire la sopravvivenza della singola specie.

Conclusioni

Spesso, negli organismi viventi, le variazioni nelle risposte biologiche e la formazione di specifiche strutture possono essere associate a modifiche presenti in piccoli frammenti del genoma. Sicuramente le fonti di diversità genetica sono molto diverse tra i batteri e gli eucarioti, ma il processo attraverso il quale si diffonde la diversità adattativa sembra molto simile infatti, in termini evolutivi, i procarioti possono anche essere paragonati ai “fringuelli di Darwin”.

Si può infatti parlare dello sviluppo di una similitudine tra popolazioni di specie diverse che vivono nello stesso ambiente ed i caratteri definiti dalle relative nicchie ecologiche si conservano attraverso la selezione naturale. In altre parole, lo sviluppo di nuovi sistemi o specifiche strutture inerenti al movimento da parte dei microrganismi può anche essere considerato come un punto di contatto tra organismi superiori ed inferiori: in entrambi i casi si osservano le medesime capacità evolutive nonostante le evidenti differenze biologiche in termini di strutture e dimensioni.

Fonti

Gennaro Velotto

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  • Immagine in evidenza: DR KARI LOUNATMAA / SCIENCE PHOTO LIBRARY
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  • Rather P.N. 2005. Swarmer cell differentiation in Proteus mirabilis. Environ. Microbiol. 7: 1065–1073
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