Evoluzione Microbica: Il Ruolo delle Interazioni Positive

I microrganismi, come i Batteri, possono cambiare e adattarsi nel tempo. Questo succede attraverso un processo chiamato evoluzione, dove possono sviluppare nuove caratteristiche che li aiutano a sopravvivere e riprodursi meglio nel loro ambiente. I ricercatori hanno studiato questa evoluzione in laboratorio per molte generazioni-a volte migliaia. In questi studi, gli scienziati scoprono spesso che queste popolazioni microbiche subiscono cambiamenti nella loro composizione genetica.

Quando i batteri si adattano, possono acquisire nuove Mutazioni genetiche che li rendono più adatti al loro ambiente. A volte, queste mutazioni si diffondono rapidamente nella popolazione. Questo può portare a una situazione in cui c'è meno varietà genetica, poiché una o poche mutazioni dominano. Tuttavia, in alcuni casi, diverse variazioni genetiche possono persistere e portare alla formazione di nuovi gruppi o linee.

Per esempio, un batterio comune di laboratorio chiamato Escherichia coli ha dimostrato di evolversi in specialisti che consumano diverse risorse nel tempo. Questa evoluzione microbica avviene spesso in ambienti dove le risorse sono limitate. I ricercatori hanno scoperto che la struttura spaziale-com'è organizzato il batterio nel suo ambiente-può aiutare a mantenere la varietà genetica, poiché consente l'esistenza di diverse nicchie. Inoltre, le interazioni tra le specie, siano esse dannose o benefiche, possono influenzare come le popolazioni evolvono.

#Interazioni Commensali nelle Comunità Microbiche

Mentre molti studi si concentrano su interazioni negative (come la competizione o la predazione), anche le interazioni positive tra i microrganismi sono importanti. Una di queste interazioni benefiche è chiamata Cross-feeding. Nel cross-feeding, un tipo di microbo consuma una sostanza e produce un sottoprodotto che un altro microbo può usare. Questa relazione può essere vantaggiosa ed è spesso osservata in diversi ambienti. Tuttavia, l'effetto di queste interazioni positive sulla diversità complessiva di una comunità microbica non è ben compreso.

Per indagare il ruolo di queste interazioni, gli scienziati hanno creato una comunità controllata di due specie batteriche: Acinetobacter johnsonii e Pseudomonas putida. Entrambe le specie sono state prelevate da un ambiente inquinato e si sono adattate naturalmente a scomporre composti dannosi trovati in vari inquinanti ambientali. In questo studio, A. johnsonii si nutre di alcol benzilico e produce benzoato, una sostanza che P. putida può poi usare.

#Progettazione dello Studio e Metodologia

I ricercatori hanno ampliato esperimenti precedenti in cui P. putida è evoluto da solo e insieme a A. johnsonii. Volevano vedere come la presenza di A. johnsonii influenzasse i cambiamenti in P. putida nel corso di tante generazioni. In particolare, hanno osservato come l'evoluzione delle caratteristiche differisse quando P. putida veniva coltivato da solo rispetto a quando era con A. johnsonii. Erano anche interessati ai tipi di mutazioni che causavano le differenze nelle caratteristiche e a come queste mutazioni fossero collegate alla fitness e alla sopravvivenza dei batteri.

Nell'esperimento di evoluzione, le due specie batteriche sono state cresciute in un mezzo nutriente speciale. I batteri sono stati coltivati per circa 30 giorni, corrispondenti a circa 200 generazioni. Durante questo tempo, i ricercatori hanno monitorato la crescita dei batteri, misurando quante cellule erano presenti in ogni coltura e cercando eventuali cambiamenti nell'aspetto e nelle caratteristiche.

Per valutare i cambiamenti evolutivi, gli scienziati hanno misurato quattro caratteristiche chiave: tasso di crescita, rendimento (la quantità di biomassa prodotta), tasso massimo di assorbimento (la velocità con cui le risorse vengono consumate) e costante di mezza saturazione (il livello di risorsa al quale si verifica metà del massimo assorbimento). Hanno usato queste misure per confrontare le popolazioni evolute con i loro antenati.

#Osservare i Cambiamenti nei Batteri

Dopo l'esperimento di evoluzione, i ricercatori hanno notato che P. putida sviluppava nuove caratteristiche a seconda di come veniva coltivato. Nelle colture dove P. putida era solo, formava solo un tipo di colonia. Tuttavia, quando veniva coltivato insieme a A. johnsonii, le popolazioni si diversificavano in due tipi di colonie. Un tipo formava colonie più grandi mentre l'altro assomigliava all'antenato originale. Questa diversificazione non si osservava nella monocultura, dove apparivano solo colonie più grandi.

Ulteriori analisi hanno mostrato che, in co-coltura, il rendimento di P. putida variava significativamente. Alcuni batteri producevano più biomassa di altri. Mentre le popolazioni in monocultura mostravano un aumento del rendimento, solo le co-colture mettevano in mostra una diversità nei rendimenti. Questo era interessante perché indicava che l'interazione con A. johnsonii permetteva una strategia di crescita più variegata.

#Cambiamenti Genetici e Loro Implicazioni

Per determinare la causa di questa diversità fenotipica, i ricercatori hanno sequenziato il DNA dei batteri evoluti. Hanno identificato mutazioni in geni specifici, in particolare in un gene che regola il movimento batterico. Questo gene è noto per influenzare quanto bene i batteri possono nuotare e formare biofilm.

Curiosamente, le colonie più grandi spesso portavano mutazioni nel gene associato alla motilità, il che significa che quei batteri avevano perso la capacità di nuotare efficacemente. Nel frattempo, alcune colonie più piccole mostrano mutazioni diverse. La perdita di motilità potrebbe aver consentito alle colonie più grandi di dedicare più energia alla produzione di biomassa piuttosto che a muoversi. Questa situazione evidenzia come l'evoluzione possa talvolta portare a compromessi, dove guadagnare un vantaggio in un'area può portare a svantaggi in altre.

#Coesistenza di Diversi Morfotipi

I risultati dell'esperimento suggerivano che entrambi i tipi di batteri potessero coesistere in presenza di A. johnsonii. Anche se un morfotipo aveva un vantaggio di crescita, il morfotipo piccolo poteva ancora sopravvivere. I ricercatori erano interessati a capire come avvenisse questa coesistenza.

Hanno condotto esperimenti aggiuntivi per vedere se morfotipi rari potessero invadere e stabilirsi nelle popolazioni. Hanno scoperto che la presenza di A. johnsonii non cambiava significativamente la capacità di questi morfotipi di prosperare quando erano rari. Tuttavia, il morfotipo grande mostrava un certo potenziale per invadere quando era presente a bassa frequenza.

#Conclusione: Il Ruolo delle Interazioni nella Diversità Microbica

Questo studio ha rivelato che la diversità microbica può crescere anche in ambienti semplici, soprattutto attraverso interazioni positive come il cross-feeding. La relazione con A. johnsonii ha permesso una maggiore diversità genetica e fenotipica in P. putida rispetto a quando veniva coltivato da solo. I risultati supportano l'idea che le interazioni tra specie contribuiscano significativamente alla complessità delle comunità microbiche.

Anche se i ricercatori sono stati in grado di osservare e misurare questi cambiamenti, hanno riconosciuto alcune limitazioni nei loro risultati. Servirebbero più esperimenti per determinare la sostenibilità a lungo termine di questa diversità e come le risorse specifiche fornite da A. johnsonii abbiano influenzato l'evoluzione di P. putida. In generale, questo lavoro fornisce importanti spunti sulle dinamiche dell'evoluzione microbica e sui potenziali benefici delle relazioni interspecie nel mantenere la diversità all'interno degli ecosistemi.