Test di fluttuazione di Luria e Delbrück

Teorie adattativa e mutazionale
Teorie adattativa (a sinistra) e mutazionale (a destra). Crediti: Madeprime (Wikipedia, l'enciclopedia libera)

Fin dai primi anni del ‘900 era ben noto, alla maggior parte degli emergenti microbiologi, il risultato di un semplice esperimento pratico: aggiungendo una popolazione di fagi o una discreta quantità di antibiotico ad una coltura batterica sensibile, si ha la morte dei batteri; se la coltura è sufficientemente “grande”, tuttavia, in genere si osserva anche la sopravvivenza di alcune cellule o di alcune colonie.

Le basi scientifiche che spiegassero questo risultato non erano note all’epoca e poco più tardi si svilupparono due differenti correnti di pensiero:

  • ipotesi “lamarckiana” o adattativa → la resistenza al fago o all’antibiotico viene acquisita a seguito dell’esposizione con questi ultimi ed è quindi indotta dalla loro presenza nell’ambiente del microrganismo;
  • ipotesi “darwiniana” o mutazionale → la resistenza al fago o all’antibiotico viene acquisita casualmente da alcuni batteri, indipendentemente dalla presenza di fagi o antibiotici nell’ambiente.

È evidente come queste due ipotesi fossero completamente contrastanti l’una con l’altra. Ma tra gli anni ‘40 e ‘50 del secolo scorso alcuni brillanti esperimenti hanno permesso di chiarire una volta per tutte quale fosse quella corretta. Il primo di questi esperimenti fu proprio quello di Luria e Delbrück, definito come test di fluttuazione ed avvenuto nel 1943.

Salvador Edward Luria
Figura 1 – Salvatore Edoardo Luria
Max Delbrück
Figura 2 – Max Ludwig Henning Delbrück

L’esperimento

Se prendessimo una coltura liquida di batteri ad alta concentrazione (109 batteri/mL) e la piastrassimo sia in assenza che in presenza di fago, otterremmo rispettivamente una piastra con poche colonie di “sopravvissuti” ed una piastra giunta a confluenza.

Potremmo spiegare questo risultato utilizzando le ipotesi adattativa e mutazionale viste precedentemente, ma come faremmo a capire quale delle due sia quella giusta? Il lavoro di Luria e Delbrück ci dà una chiara risposta.

Il test di fluttuazione

Una coltura liquida di batteri sensibili al fago T1 venne fatta crescere fino a ~103 ufc/mL e successivamente suddivisa in due parti uguali: la prima venne lasciata crescere ulteriormente in una beuta fino a 109 ufc/mL, mentre la seconda venne suddivisa in aliquote uguali da 1 mL (se considerassimo un volume iniziale di 200 mL, poi diviso in due parti uguali, allora avremmo 100 aliquote da 1 mL) e lasciate crescere indipendentemente fino a 109 ufc/mL.

Successivamente anche la coltura cresciuta nella beuta venne suddivisa in aliquote uguali da 1 mL (dove non si ebbe ulteriore crescita, in quanto la concentrazione cellulare era già quella massima). Si passò quindi a piastrare tutte le aliquote ottenute, in presenza di fago T1.

Il risultato fu che le piastre provenienti dalle aliquote della prima metà di coltura iniziale presentavano tutte lo stesso numero di colonie sopravvissute all’infezione (ad es. 5 o 6 colonie in tutte le piastre), mentre le piastre provenienti dalle aliquote della seconda metà della coltura iniziale presentavano numeri di colonie sopravvissute completamente diversi (2, 5, 11, 23, ecc.).

Esempio di esperimento di Luria e Delbruck
Figura 3 – Esempio di test di fluttuazione. Crediti: S. Schlegel, P. Genevaux, J. W. de Gier – Cellular and molecular life sciences, Springer (Attribuzione 4.0 Internazionale CC BY 4.0 – creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Nel primo caso si ha dunque un rapporto varianza/media prossimo a 1, mentre nel secondo caso si ha un rapporto varianza/media >> 1.

Questa discrepanza dimostra in maniera inconfutabile che l’ipotesi corretta è proprio quella “darwiniana”: concettualmente, l’ipotesi “lamarckiana” implica che all’esposizione con l’ambiente selettivo ogni batterio debba avere la stessa probabilità (seppur bassa) di acquisire l’adattamento; pertanto il numero di “mutanti” dovrebbe essere proporzionale al numero di batteri venuti a contatto con il fattore ambientale che indurrebbe l’adattamento.

Ma come dimostrato dall’esperimento appena visto, se gruppi di batteri vengono fatti crescere indipendentemente in aliquote separate, alla fine nelle piastre si ottiene un numero di mutanti resistenti variabile: ciò perché in realtà le mutazioni si formano prima che avvenga l’esposizione al fago e il numero finale in ciascuna aliquota dipende da quanto precocemente si forma la mutazione nel corso delle generazioni.

Angelo Schirinzi

Fonti:

  • Wikipedia, l’enciclopedia libera
  • Dehò Gianni, Galli Enrica. Biologia dei microrganismi. Italia: Casa Editrice Ambrosiana (Zanichelli), 2018.

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Biologo, amante delle scienze matematiche, fisiche e naturali. Appassionato di tecnologie informatiche ed elettroniche. Inguaribile tifoso di calcio.

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