Anche i batteri comunicano tra loro

Rilevamento del quorum

I batteri usano la comunicazione tra le cellule per coordinare il comportamento collettivo in risposta ai cambiamenti nella densità delle cellule e nella composizione delle specie della comunità. Questo processo è chiamato anche quorum sensing, o QS in breve. Questo processo di comunicazione dipende dalla densità cellulare ed è efficace solo quando la concentrazione di certe molecole di segnalazione extracellulare (cioè gli autoinduttori) emesse dai batteri supera un livello di soglia nel mezzo. Tali molecole di segnalazione, o IA, possono innescare un processo di regolazione genetica, con conseguente espressione di informazioni genetiche specifiche nel batterio ricevente (cioè, espressione genica). Questo processo è già stato dimostrato in più di 70 batteri.

Come per il linguaggio umano, questi segnali variano anche tra le specie batteriche. Per esempio, alcuni batteri possono interpretare molti segnali diversi, mentre altri rispondono solo ad alcuni. Con l'aiuto di questo processo di comunicazione, le colonie batteriche possono svolgere varie funzioni: Sporulazione (cioè il processo di formazione delle spore), bioluminescenza (cioè la capacità di produrre luce), virulenza (cioè la capacità di infettare), coniugazione (cioè il trasferimento del genoma attraverso il contatto cellulare), competenza (cioè la capacità di assumere il DNA e quindi di trasformarsi) e formazione di biofilm (cioè una comunità di vita con una matrice simile alla melma).

Come funziona QS?

Durante la fase riproduttiva i batteri sviluppano le IA. Mentre i batteri Gram-negativi producono i cosiddetti acil-omoserina-lattoni ( HSL in breve), nei batteri Gram-positivi i feromoni extracellulari sono responsabili della comunicazione cellulare. Gli HSL possono passare passivamente attraverso la sottile parete cellulare - i feromoni, invece, devono essere trasportati attivamente attraverso la parete cellulare con l'aiuto di energia supplementare (cioè ATP). In entrambi i casi, le IA si muovono fuori dalle singole cellule. Quando i batteri proliferano, anche la concentrazione di autoinduttori aumenta e raggiunge una "massa critica". L'effetto di questa soglia è che sarebbe energeticamente sfavorevole se gli IA continuassero a fuggire dalle cellule (cioè, per equilibrio di diffusione o trasporto). Questo aumenta la concentrazione all'interno delle cellule. Una volta che questa concentrazione intracellulare aumenta, le IA si legano ai recettori dei batteri, innescando segnali e provocando l'espressione genica. In molti batteri, il cambiamento nell'espressione genica comporta lo spegnimento di più IA.

QS nel coordinamento dello sviluppo delle malattie

Il noto batterio Gram-negativo che causa la malattia Vibrio cholerae (cioè l'agente causale del colera) usa il QS per la contagiosità (cioè la virulenza) durante l'infezione del colera. In questo processo, il batterio costruisce biofilm per trasportare più efficacemente le sostanze nutritive tra le colonie, mentre le protegge. Questi processi di comunicazione aumentano la capacità dei batteri di riprodursi e potenzialmente di secernere la tossina del colera, che può causare gravi malattie diarroiche negli esseri umani.

Con le nuove conoscenze, gli scienziati stanno ora ricercando il processo QS di V. cholerae come possibilità terapeutica. Per esempio, uno studio pubblicato nel 2015 ha dimostrato che sovraccaricare i batteri del colera con i loro autoinduttori potrebbe fermare del tutto il processo di formazione del biofilm, ritardando potenzialmente il processo di infezione. Questo potrebbe permettere al sistema immunitario umano di recuperare durante la fase di infezione altrimenti rapida. La rilevanza medica esiste anche come possibile soluzione al problema del forte aumento della resistenza agli antibiotici tra diversi batteri.

Rilevanza medica

Anche se la ricerca di Silverman e Bassler ha creato una nuova comprensione dei processi delle colonie microbiche, questo è stato solo dopo anni di persuasione e dopo molte pubblicazioni. Per molto tempo, gli esperti erano dell'opinione che il QS fosse solo un'espressione speciale tra il batterio Vibrio fischeri e il calamaro nano e non fosse associato ad altri batteri. Oggi, il QS è stato rilevato più volte e offre anche un potenziale medico. Per combattere i singoli germi resistenti agli antibiotici, il rispettivo sistema AI di questi potrebbe essere interrotto. Per combattere diversi batteri in parallelo, sarebbe più efficiente contrastare un sistema di IA generalmente efficace. Gli scienziati stanno attualmente conducendo intense ricerche su questi concetti - tuttavia, le sostanze non sono ancora abbastanza efficaci per un effetto clinico e non possiedono tutte le proprietà richieste per un farmaco. Un effetto inverso è anche concepibile, ha detto, se QS potrebbe essere utilizzato per sostenere i meccanismi di batteri benefici nell'intestino o sulla pelle.

Nel 2019, Bassler ha dimostrato che anche i fagi (cioè i virus che attaccano i batteri) usano il QS per sperimentare il momento con la più alta densità di batteri. Se infettano i batteri quando il loro numero è più alto, la probabilità di prole più alta di fagi è anche più alta.

A causa della pandemia di Corona, la cerimonia di premiazione è stata posticipata al 14 marzo 2022.

Conclusione:

La scoperta e dei sistemi di quorum sensing nei batteri può essere stato uno dei primi passi nello sviluppo di approcci microbiologici e medici più efficienti alla ricerca di antibiotici. Le ultime ricerche sulla comunicazione microbica sono solo l'inizio.