La tossicità può spingere le specie microbiche a cooperare
I microbi sono sistemi modello che ci dicono molto sull’ecologia e l’evoluzione di organismi più grandi e con popolazioni a crescita rapida, pratici per lo studio in laboratorio. Sono anche organismi importanti di per sé, in quanto forniscono nutrienti vitali che alcuni organismi non possono altrimenti assorbire facilmente, ad esempio, la vitamina K per alcuni animali (compreso l’uomo) e l’azoto per le piante. Poiché i microbi possono essere patogeni, una loro migliore comprensione potrebbe contribuire a ridurre le malattie infettive, oltre ad altre patologie dipendenti dai microbi, quali l’obesità. «Sebbene la nostra sopravvivenza sia chiaramente intrecciata con i microbi, esistono ancora molte cose che non sappiamo, come ad esempio se le specie competono o cooperano», afferma Sara Mitri, coordinatrice del progetto EVOMICROCOMM, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca.
Un sistema modello
I microbi sono difficili da studiare nel loro ambiente naturale a causa della varietà di specie, e gli ambienti statici di laboratorio sono alternative inadatte. EVOMICROCOMM ha sviluppato un sistema modello comprendente quattro specie, che utilizza un olio industriale per replicare il loro ambiente naturale. «Si tratta di uno dei primi studi che segue da vicino le mutevoli interazioni tra specie microbiche, facendo luce sulla coevoluzione delle comunità e sulle dipendenze ambientali», spiega Mitri dell’Università di Losanna, sede del progetto. Un risultato fondamentale è stata la scoperta che le interazioni microbiche dipendono dal contesto, con ambienti tossici che a volte portano a interazioni positive, se almeno una specie è in grado di degradare le tossine. «Il nostro nuovo progetto di comunità è potenzialmente applicabile a qualsiasi comunità microbica, comprese quelle dei compost e dei probiotici», aggiunge Mitri.
Concorrenza o collaborazione?
Il team ha lavorato con quattro specie batteriche, Agrobacterium tumefaciens, Comamonas testosteroni, Microbacterium saperdae e Ochrobactrum anthropi, precedentemente identificate come in grado di crescere nell’olio industriale selezionato, il liquido utilizzato per la lavorazione dei metalli. Poiché quest’olio industriale è considerato un inquinante, la comprensione degli ecosistemi microbici al suo interno potrebbe avere un’importante applicazione pratica di biorisanamento. «Dopo aver capito che potevamo sfruttare la tossicità del petrolio come caratteristica, abbiamo osservato che mentre i microbi non potevano crescere da soli in ambienti tossici, potevano farlo come comunità. Se progettiamo sempre substrati di coltura su cui tutte le specie possono crescere, potremmo perdere queste interazioni», afferma Mitri. Il team ha studiato come i livelli di tossicità influenzino l’ecologia microbica. Un singolo composto, tossico ad alte concentrazioni, sembrava spingere alla cooperazione, ma quando si riduceva, la concorrenza tra specie diventava l’interazione dominante. In un secondo esperimento, dopo che una comunità di quattro specie è stata lasciata evolvere nell’olio industriale, si è osservato che dopo aver mantenuto interazioni positive per un certo periodo, la comunità ha cooperato per respingere una nuova specie introdotta dal team. EVOMICROCOMM ha anche messo in luce un nuovo metodo per progettare comunità microbiche. I modelli computazionali che predicono i tassi di crescita delle comunità in condizioni di tossicità sono stati sviluppati prima della sperimentazione con comunità reali. L’algoritmo ha previsto la combinazione ottimale di specie più adatte a degradare gli inquinanti presenti nell’olio industriale, due delle specie originali e due nuove. «Il nostro approccio di riproduzione ha fatto registrare prestazioni migliori rispetto agli sforzi precedenti, in quanto scambia più facilmente le specie, ampliando la gamma di composizioni possibili», aggiunge Mitri.
Ampia gamma di vantaggi
Imparare come e quali specie traggono beneficio dagli antibiotici tossici (per loro) potrebbe portare a trattamenti più mirati, contrastando l’evoluzione della resistenza agli antibiotici. Inoltre, i modelli comunitari del progetto sono particolarmente utili per i processi industriali di degradazione del compost o della plastica, per convertirli in biocarburanti o altri prodotti chimici, temi a cui il team sta attualmente lavorando. «Siamo già stati contattati da laboratori interessati a questo discorso, così come alla conversione delle fibre vegetali in etanolo», conclude Mitri. Nel frattempo il team sta verificando se i suoi approcci possano essere applicati ad altri ecosistemi, costruendo e testando modelli matematici.
Parole chiave
EVOMICROCOMM, microbi, antibiotici, cooperazione, concorrenza, tossicità, batteri, specie, nutrienti, olio, plastica
