Adattamento batterico: diventa obbligato in comunità complesse

Una grande ed irrisolta questione è, ancora, quella che riguarda le modalità con cui i batteri, che vivono in comunità complesse, rispondano ai cambiamenti del proprio ambiente. La condicio sine qua non dell’esistenza, da che mondo è mondo, resta l’adattamento alle contingenze in cui ci si trova. Ogni forma organica, sul Pianeta, che esprima la capacità di trasformarsi e trasformare non sfugge a questa legge. Adattarsi o perire.

Sembra, inoltre, che laddove la volontà o la capacità risulti carente, arrivi uno sprone collettivo provvidenziale che trascina in avanti, come una corrente, ogni più piccolo recalcitrante elemento dell’ecosistema. Tuttavia, all’interno delle comunità microbiche, le interazioni biotiche, cioè quelle tra individui della stessa specie, possono sia favorire che impedire l’evoluzione altrui. Alcuni consessi, infatti, ampliano ed altri riducono il range di opportunità ecologiche per i propri simili. A ben vedere, non solo nei microcosmi batterici.

Quanto preme alla ricerca microbiologica è comprendere e spiegare come le comunità biotiche circostanti modifichino le traiettorie evolutive di specie adattatesi, nel tempo, a nuove condizioni ambientali.

Ecosistemi: tra evoluzione ed adattamento

Le nicchie ecologiche di specie si modificano sempre in risposta ai cambiamenti delle condizioni ambientali, come Stuart e colleghi hanno evidenziato nello studio che attribuiva, anni fa, divergenze fenotipiche ad interazioni negative intraspecifiche. Nelle alterazioni ambientali, alcune linee cellulari batteriche possono ritrovarsi mal adattate, sperimentando, così, una selezione positiva verso un ulteriore adattamento a nuovi parametri sistemici. Le popolazioni batteriche possono, perciò, abbracciare nuove opportunità ecologiche, mediante alterazioni del proprio stato fisiologico, rispetto ai nutrienti disponibili ed a quelli che non lo sono più. In altri casi, i batteri possono evolvere verso proficue mutazioni genetiche.

L’abilità intrinseca di una popolazione microbica di vagliare un diverso panorama idoneo dipende dalla sua percentuale di mutazioni genomiche, dalle dimensioni della popolazione stessa, dal suo grado di mal adattamento ma anche dalla malleabilità genetica.

Stigma del regno animale: la competizione

Gli ecosistemi contengono al loro interno molte specie in grado di obbligare l’adattamento di consimili, semplicemente, competendo per le stesse risorse che, altrimenti, sarebbero liberamente disponibili. Così facendo, tali specie provano a costringere altre popolazioni a svilupparsi meno, in una determinata nicchia. Questo è il punto cruciale e di svolta nelle dinamiche relazionali biotiche: la sottrazione o la minaccia di sottrazione dell’essenziale che “sveglia” le capacità di sopravvivenza e, se necessario, ne crea di nuove. Altre specie, invece, possono solo facilitare l’adattamento di individui compresenti, dando forma a nuove nicchie ecologiche e, addirittura, sopprimendo i competitori.

Tanto alcune osservazioni naturalistiche, quanto studi sperimentali su semplici comunità microbiche artificiali indicano che le interazioni biotiche possano alterare i responsi evolutivi. Ma, mentre gli studi hanno già documentato e chiarito l’impatto di comunità sulle dinamiche evolutive, nessuno ancora aveva alterato in modo sistematico e programmato fattori estrinseci ed intrinseci di adattamento per osservare i rispettivi ruoli in questo vivifico processo.

I motivi dell’adattamento ad un ambiente che cambia

I ricercatori guidati da Thomas Scheuerl hanno, da poco, pubblicato i risultati di un lavoro sperimentale condotto tra Agosto 2013 ed Aprile 2014, relativo alle possibilità di adattamento di alcuni ceppi batterici ambientali. I microbiologi hanno prelevato acqua meteorica raccolta in invasi naturali, quali cavità in tronchi di faggio, in diverse zone del sud dell’Inghilterra. Essi hanno selezionato, così, 11 comunità microbiche, aspirando a cogliere differenti livelli di biodiversità e robustezza dei ceppi batterici. Le comunità microbiche hanno subìto, poi, una caratterizzazione biomolecolare mediante amplificazione della sequenza dell’amplicone rRNA 16S (Illumina MiSeq, 250 bp-accoppiate).

Alcuni ceppi batterici, definiti ceppi focali, sono stati isolati dalle comunità di provenienza mediante piastramento su capsule di R2A agar ed identificati come ceppi singoli mediante sequenziamento di DNA con Metodo Sanger. Una volta selezionati 22 ceppi focali (2 per ogni comunità microbica individuata) con un buon range di proprietà intrinseche, i batteri hanno poi costituito uno stock di “ancestori” a -80°C per le successive prove sperimentali.

Standardizzate, dunque, le densità dei ceppi focali, i batteri hanno subìto un “ingabbiamento” in sacche da dialisi che contenevano microcosmi acquatici composti da comunità batteriche intatte provenienti da acqua piovana. Il periodo di studio è durato 5 mesi. Le sacche separavano fisicamente i ceppi focali dalle comunità microbiche, durante la crescita sul mezzo di coltura rappresentato da foglie di faggio. Simili condizioni di crescita affiancata ma separata, consentiva la diffusione molecolare tra i due mondi microbici, pur prevenendo fenomeni di cross-contaminazione genica con migrazione di cellule, da un ambiente all’altro. Lo studio ha, inoltre, previsto anche l’allestimento di un controllo negativo con solo mezzo di coltura ed uno positivo con un mix di tutti i ceppi focali.

Metodi ed evidenze sperimentali

Ogni ceppo focale ha raggiunto una sospensione in una delle 9 comunità individuate: 8 comunità complesse ed 1 composta da ceppi focali corrispondenti a quelli in background. Tutte le 216 combinazioni di ceppi-comunità hanno consentito ai ricercatori di effettuare 4 replicati, producendo 864 microcosmi mantenuti in vita per 5 mesi. Durante l’esperimento, i ricercatori hanno sostituito solo il 10% del mezzo di coltura, una volta a settimana. Questo consisteva in un mezzo liquido a base di foglie di faggio aggiustato ad un pH di 5.5. Al termine delle procedure sperimentali, gli operatori si sono, così, concentrati sulla valutazione delle performance di adattamento dei ceppi focali evolutisi in comunità. Essi hanno, però, soprattutto, confrontato tali comportamenti con quelli dei ceppi ancestori nelle medesime condizioni di crescita, ma per un periodo di due settimane. Non è mancata anche una conta cellulare mediante citometria a flusso.

I rapporti iniziali hanno fornito valori pari ad 1:1 nelle prove di competizione evoluti/ancestori. Un rapporto superiore ad 1, invece, ha poi indicato che i ceppi evolutisi, in duratura coesistenza con comunità circostanti, avessero una densità cellulare superiore agli ancestori.

Proprietà estrinseche ed intrinseche dei batteri

Le proprietà estrinseche delle comunità batteriche sono state quantificate sulla base della loro biodiversità (Indice di Shannon) con i dati di sequenziamento di rRNA 16S. I ricercatori hanno misurato, poi, la robustezza ecologica della comunità ancestrale, mediante differenze in attività istantanee tra mezzi a pH 7 ed altri a pH 5.5 (Bactiter-Glo assay -Promega). I dati hanno restituito un’evoluzione anche dei nutrienti all’interno delle nicchie ecologiche a causa della evoluzione e dell’adattamento tanto dei ceppi focali quanto degli ancestori. Questo è dovuto ad enzimi in grado di metabolizzare substrati refrattari (cellulosa), labili (xilosio) o intermedi (chitina). Il kit per saggio enziamtico è il medesimo indicato da Rivett e colleghi.

Le proprietà intrinseche misurate, invece, comprendono:

mal adattamento di monocolture ancestrali
dimensioni del genoma, mediante sequenziamento completo dell’rRNA 16S, dei ceppi ancestori.

I ricercatori hanno definito “robustezza ecologica”, il grado di resistenza dell’attività enzimatica istantanea batterica a condizioni di pH basso. Le comunità microbiche robuste, quindi, sono risultate scarsamente influenzate da variazioni ambientali di pH. Inoltre, i dati ottenuti hanno dimostrato che i ceppi focali siano in grado di evolvere verso un migliore adattamento ambientale, se immersi in comunità a ridotta diversità di specie. Questo non emerge solo dalla ricchezza nel numero dei taxa, ma anche dalla loro abbondanza, distribuita irregolarmente.

Dati di adattamento in discussione

Chiaro è, dunque, che le specie focali si adattino più facilmente a poche specie dominanti (basso Indice di Shannon), rispetto a specie multiple moderatamente abbondanti. Diversità e robustezza di comunità incidono, inoltre, entrambe negativamente sulla degradazione delle risorse nutritive. La competizione per le risorse, dunque, potrebbe emergere come fattore limitante dell’adattamento dei ceppi in comunità diversificate.

Le comunità a ridotta diversità, al contrario, potrebbero adattarsi meno rapidamente a nuove condizioni ambientali, a causa di una più voluminosa proporzione delle poche specie compresenti. Ciò risulterebbe un vantaggio per lo sviluppo libero delle specie focali. I ceppi evolutisi, inoltre, hanno dimostrato una particolare capacità degradativa della chitina, come risorsa nutritiva, in comunità a bassa robustezza. Evidentemente, la chitina risulta più largamente disponibile in comunità che pur soffrono a pH 5.

Relativamente alle proprietà intrinseche dei ceppi focali ancestrali, i dati sostengono che ceppi con genomi più ampi abbiano maggiori capacità di adattamento. Probabilmente, tale capacità dipende da fattori di pre-adattamento. Hanno un più elevato numero di mutazioni per generazione e potrebbero, tali ceppi, contenere copie multiple di geni: una copia di questi potrebbe facilmente subire mutazioni, funzionali alle evenienze ambientali.

I ricercatori, infatti, hanno stimato anche la grandezza del genoma batterico mediante sequenziamento dell’intero patrimonio genetico dei cloni ancestori. Ma non solo. Essi hanno valutato, in più, la distanza filogenetica di ogni ceppo focale da una specie di riferimento altamente adattabile: Raoultella sp.2.

Chi sono gli attori in scena, quindi?

Alcune popolazioni evolutesi per adattarsi meglio sono risultate particolarmente efficaci in questa trasformazione:

Raoultella sp.2
Curtobacterium sp.1
Rizobium sp.1

mentre altre, come Serratia sp. (Fig.1) e Microbacterium sp. (Fig. 2), manifestano un adattamento debolissimo.

Infine, per determinare se anche l’ambiente biotico mutasse durante le fasi sperimentali, i ricercatori hanno operato un cambio di composizione delle comunità batteriche in background. Nonostante tutte le comunità finali fossero altamente diversificate, esse convergevano su alcuni ceppi dominanti:

Tale risultato conclusivo porta con sè la considerazione secondo cui la variabilità del responso ad una selezione di ceppi focali, in comunità, potrebbe dipendere dalla composizione iniziale di tali comunità. Come dire, è l’ambiente che fa il batterio.