Chemosegnali in mammiferi solitari: batteri ghiandolari

Solitari sì, ma sempre in pieno, essenziale scambio di dati. Informazioni contingenti o previsionali, che salvaguardano la specie e l’equilibrio infinito, di vite ammagliate l’una all’altra. Non più che molecole olfattive, quindi, volatili, ma foriere di chemosegnali precisi, e sorprendentemente vari. Ed i batteri simbionti, nelle ghiandole preposte, a rifornire la privata sintassi di un arcano sistema di comunicazione.

Solitari ma sociali: i mammiferi presentano se stessi, al mondo, mediante i chemosegnali

I chemosegnali dei grandi mammiferi, noti anche come marcatori olfattivi, sono chimicamente molto diversificati, il che riflette, in fondo, tanto la complessità delle loro vie biosintetiche, quanto la ricchezza e la raffinatezza degli scambi d’informazioni tra conspecifici.

Tra i mammiferi, infatti, si riscontrano molecole segnale nelle urine, nelle feci, nelle secrezioni ghiandolari prodotte da strutture secernenti integumentali, come già descritto da Tristram D. Wyatt . Ma c’è anche molto di più. Pare che l’ambiente stabile, caldo, umido, ricco di nutrienti e semi-anaerobico, di tali ghiandole, favorisca la proliferazione di preziosi e provvidenziali batteri simbionti fermentativi. Questo invisibile ed essenziale fiorire microbiologico è latore di una vasta matrice di odoranti chimici.

Secondo quella che viene indicata come ipotesi fermentativa della comunicazione chimica, i microbi simbionti, residenti nelle ghiandole odorifere, regalerebbero agli ospiti, come secondari metaboliti di propri processi vitali, sostanze impiegate poi per odoranti. Come sempre, in natura, quel che incontra esiti felici viene poi acquisito stabilmente, e spesso iscritto nei registri genetici; ma subisce anche, intanto, affinamento e selezione, in base alle parti in gioco. I riceventi di tali messaggi chimici hanno, infatti, nel tempo, agito su un certo ampliamento della gamma espressiva di tali molecole chimiche. Diversificati, dunque, i messaggi da trasmettere, questi, ormai, raggiungono con successo non più solo gli stessi mammiferi.

Ruth E. Ley e colleghi, d’altronde, si arresero all’evidente e soverchiante diversità genetica del microbiota, rispetto a quella del solo ospite, ed affermarono che il contributo dei batteri, alla grande varietà di chemosegnali, fosse, ormai, un dato certo.

Oggi, primo studio su Panda Gigante

Per la prima volta i ricercatori, guidati da Wenliang Zhou, si sono occupati della verifica sperimentale dell’ipotesi fermentativa, microbiologica cioè, del sistema di comunicazione chimico della specie Ailuropoda melanoleuca (Figura 1), ovvero il panda gigante.

Batteri simbionti mediano la sintesi di chemosegnali volatili, nelle specie di grandi mammiferi solitari. — Figura 1 – Ailuropoda melanoleuca
Fonte: https://pixabay.com/es/photos/panda-familia-pandas-lindo-3811734/

Dal greco classico, αἴλουρος «gatto» e ποδός «piede», il mammifero dal «piede di gatto, nero e bianco» è un simpatico carnivoro vegetariano. La sua celeberrima dieta, a base di germogli di bambù, è messa a rischio dal solito intervento umano, nelle dinamiche ecologiche. Le piante di bambù muoiono, normalmente, dopo la fioritura, ma, nel suo habitat, ne esistono, di solito, numerose specie, così da coprire continuativamente le esigenze di questo iconico orso gatto gigante. Purtroppo, nelle zone alterate dall’intervento umano, rimangono spesso pochi tipi di bambù, ed a volte solo uno. Tanto che nel ’75, verificatasi una fioritura contemporanea di tutte le specie di bambù disponibili, i panda restarono, di fatto, privi di cibo e ne furono decimati.

Pur essendo un animale solitario, per l’intero anno, fatta salva la stagione dell’accoppiamento, il panda dipende strettamente dalla comunicazione chimica con i suoi simili. Esso, infatti, libera, nell’ambiente, urina e secrezioni di ghiandole anogenitali (AGS), allo scopo di segnalare la propria identità individuale, il proprio sesso, l’età, lo stato sociale e quello riproduttivo. Come un biglietto da visita volatile, per la stretta mission riproduttiva.

Tali marcatori AGS si riscontrano spesso sugli alberi, in siti strategici, selezionati col proposito di assicurare persistenza e massima diffusione del proprio claim biologico.

Lo stesso Zhou, in un precedente lavoro, ha appurato che il panda, come altri mammiferi, emette secrezioni odorose, contenenti aldeidi, acidi grassi, chetoni, esteri di acidi grassi, composti aromatici, squalene e steroidi. Ma, finora, poco si sapeva sulla sintesi di questi chemosegnali e sul contributo batterico della microcomunità ghiandolare.

Cronache di laboratorio

I ricercatori hanno campionato 17 secrezioni AGS provenienti da esemplari di panda gigante, tra febbraio 2015 e maggio 2018. Sette campioni da 5 individui (3 maschi e 2 femmine), liberi presso il Foping National Nature Reserve, ed altri dieci campioni, invece, da 10 individui (4 maschi e 6 femmine) in cattività, presso Chengdu Research Base of Giant Panda Breeding.

Anestetizzati i panda, i ricercatori hanno ottenuto i campioni secretivi, direttamente dalle ghiandole anogenitali. Essi hanno, così, impiegato dei tamponi di cotone, preventivamente sterilizzati, overnight, con alcol al 99%, ed asciugati in stufa. Strofinati, poi, direttamente sulle ghiandole suddette.

Altri 18 campioni, inoltre, provenienti da prelievi fecali freschi, hanno fatto da matrice nelle analisi metagenomiche di sequenziamento, con buona cura, degli operatori, di escludere ogni superficie fecale a contatto col suolo.

E campioni di controllo, infine, ottenuti esponendo tamponi in vials aperti, per pochi secondi, nello stesso ambiente sperimentale.

I panda si trovavano nella stagione dell’accoppiamento.

Chemosegnali: come, dove e perchè

Utilizzando forbici sterili, i ricercatori hanno rimosso lo strato più esterno dei tamponi di cotone contente le secrezioni AGS. Tale substrato, posto in vial con diclorometano (1 mg/10uL solvente). Dopo 12 ore, rimosso il tampone-campione, i ricercatori hanno conservato il solvente restante a -20°C, per le successive analisi di composizione. I campioni fecali, invece, hanno subìto trattamento con diclorometano (1 g/500 uL solvente), in vial di vetro, a -4°C, per 12 ore. Quindi centrifugazione a 3500 rpm per 3 minuti.

A tali fasi iniziali, di allestimento dei campioni, sono, poi, seguite le indagini mediante gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS) ed il confronto degli spettri di massa ottenuti, con quelli disponibili nella library NIST 2002 (Agilent Technologies 2002).

Di 68 composti, delle secrezioni AGS, valutati, 19 hanno fornito tempi di ritenzione e spettri di massa confrontabili con gli standards. Ugualmente per 8 campioni fecali.

Relativa abbondanza di steroidi, aldeidi e acidi grassi in AGS, rispetto ai campioni fecali, è quanto n’è emerso. E questi dati indicano tali composti chimici come i più adatti a divenire chemosegnali.

E soprattutto “chi”: chi ha il merito della varietà del segnale chimico?

Per scoprire chi si celi dietro questo caleidoscopio alchemico, ecco l’estrazione del DNA. Lo strato di tampone esterno, contente il campione di secrezioni odorose AGS, ha subìto processamento con Fast DNA SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals). Il campione fecale, invece, è passato per il Qiagen QIAamp DNA Stool Mini Kit.

La composizione delle comunità batteriche in AGS e feci è notevolmente diversa, per phyla e generi. I phyla dominanti nelle secrezioni odorose, sono Actinobacteria e Bacteroidetes; scarsi, invece, nelle feci. Nelle deiezioni, infatti, sono Clostridia ed Escherichia a farla da padroni.

A differenza del microbiota intestinale, Corynebacterium, Pseudomonas, Porphyromonas e Psychrobacter dominano il microbiota di AGS, come pure Peptoniphilus, Anaerococcus e Trueperella. In particolare, Pseudomonas è risultato più abbondante nelle secrezioni odorose di panda liberi, rispetto a quelli in cattività, mentre Psychrobacter è più scarso in esemplari liberi.

E, con ciò, è chiaro che le comunità microbiche fecali e ghiandolari, di esemplari liberi, rispetto a quelli in cattività, siano molto diverse. E producono, di conseguenza, metaboliti diversi. Ed i messaggi che i mammiferi trasmettono, ai simili, sono qualitativamente diversi.

Vie biosintetiche dei chemosegnali e batteri agenti

Successive analisi di LEfSe (Linear discriminant analysis Effect Size) hanno consentito l’identificazione di 6 vie metaboliche di acidi grassi, con tappe diverse in secrezioni ghiandolari e feci. Nelle secrezioni AGS, le vie metaboliche lipidiche, quali biosintesi di acidi grassi, sintesi-degradazione di corpi chetonici e biosintesi di steroidi, sono quelle più battute. Nelle comunità microbiche fecali, invece, le vie biochimiche più attive sono quelle del metabolismo dei glicerofosfolipidi e di biosintesi degli acidi biliari primari e secondari.

I generi batterici coinvolti nel metabolismo lipidico, nelle secrezioni ghiandolari, sono Actinobacteria (42.67%), Proteobacteria (35.72%) e Firmicutes (14.48%). Alcune famiglie di Actinobacteria (Nocardiopsaceae, Mycobacteriaceae, Microbacteriaceae, Nocardiaceae, Micrococcaceae, Corynebacteriaceae ed Intrasporangiaceae) e 3 famiglie di Proteobacteria (Bradyrhizobiaceae, Xanthomonadaceae e Desulfobacteraceae) sono risultate le principali responsabili del metabolismo lipidico.

Contributo microbiologico ai chemosegnali

Analisi di specie e contribuzione funzionale indicano, inoltre, che Clostridium ed Escherichia siano i primi a contribuire al metabolismo lipidico nelle comunità microbiche fecali, come il Corynebacterium lo è nel microbiota ghiandolare, tanto in individui liberi, quanto in cattività. Subito dopo, compaiono Pseudomonas, in panda liberi, e Psychrobacter, in panda in cattività.

Nell’insieme, i dati descritti da quest’ultimo studio evidenziano importanti distinguo tra generi e funzioni: i batteri ghiandolari producono chemosegnali (chetoni, steroidi); le comunità fecali presiedono, invece, solo funzioni digestive (biosintesi della bile).

I batteri agenti nel metabolismo lipidico, inoltre, possiedono lipasi in grado di idrolizzare i triacilgliceroli, rilasciandone gli acidi grassi liberi, coinvolti nella produzione di chemosegnali, non solo in questa specie di mammiferi ma anche in altre. La presenza, inoltre, di triacilgliceroli, nelle secrezioni ghiandolari, assicura una prodigiosa diversità di acidi grassi a catena lunga (saturi ed insaturi), il che incrementa le tipologie di chemosegnali emessi poi dai panda.

Ogni curiosità ci richiama alla responsabilità

Nonostante il microbiota delle ghiandole anogenitali (AGS) appaia, dunque, meno influenzato, rispetto a quello fecale, dalla cattività, i risultati dello studio dimostrano numerose differenze di comunità batteriche, tra individui liberi e non. Comprensibilmente, quindi, un microbiota ghiandolare inappropriato altererà la comunicazione chimica tra esemplari consimili, e con ciò anche la loro sempre auspicata riproduzione.

Figura 2 – Fu il pittore naturalista Sir Peter Scott a scegliere il panda come simbolo del World Wildlife Found (WWF), perché ispirava tenerezza, simpatia, dolcezza, e perché era ed è, soprattutto, sempre a rischio estinzione.
Fonte: https://swla.co.uk/members/sir-peter-scott-1900-1988

Si delineano, allora, future correzioni umane del microbiota, mediante trapianto di sceltissimi ceppi simbionti, o modifiche dietetiche, che un urside onnivoro, come questo, non avrà poi molta difficoltà ad introdurre. Tutto, pur di non restringere la sconfinata espressività di queste placide icone (Figura 2) di Sir Peter Scott.