I batteri rivelano la loro individualità nel labirinto

Sono considerati le forme di vita più semplici. Ma anche i microrganismi percepiscono il loro ambiente e possono muoversi attivamente. Riconoscono sia il cibo che le sostanze nocive e si muovono verso di loro o si allontanano. Così facendo, si orientano in base al gradiente di concentrazione della rispettiva sostanza nell'ambiente. La vita di un microbo può quindi essere intesa come una sequenza ininterrotta di decisioni basate su gradienti chimici.

La capacità delle cellule di indirizzare o evitare selettivamente le sostanze è nota come chemiotassi. Finora, gli scienziati hanno generalmente considerato le proprietà chemiotattiche dei batteri come una caratteristica uniforme di una specie o di una popolazione, come se tutte le cellule si comportassero più o meno allo stesso modo. Ciò significa che i valori medi sono sufficienti per descrivere i loro movimenti. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora osservato la chemiotassi dei batteri in un esperimento comportamentale. "Se si osserva attentamente, si scoprono sorprendenti differenze di comportamento anche all'interno di una popolazione di cellule geneticamente identiche", affermano Mehdi Salek e Francesco Carrara, i due primi autori di un articolo appena pubblicato su pagina esternaComunicazioni sulla natura studio pubblicato.

I microbi nel labirinto a T

Insieme ai colleghi del gruppo di ricerca del professore Roman Stocker presso l'Istituto di ingegneria ambientale, hanno sviluppato uno speciale sistema microfluidico che permette di osservare il movimento di migliaia di singoli batteri in un liquido in uno spazio molto ridotto. Il sistema consiste in una serie di stretti canali che si diramano su una sottile lastra di vetro, formando una sorta di labirinto microscopico attraverso il quale i batteri nuotano.

I labirinti sono spesso utilizzati nella ricerca comportamentale, ad esempio per studiare le preferenze di insetti o vermi (ma anche delle radici delle piante). Con il loro sistema microfluidico, i ricercatori del Fare all'ETH applicano per la prima volta questo metodo su scala microscopica. Il loro labirinto assomiglia a un albero genealogico: con un canale iniziale che si dirama sempre più in basso, dove la concentrazione di un attrattivo chimico è più alta.

Decisioni al bivio

I batteri partono tutti dallo stesso punto - e si separano sempre di più nel sistema di canali perché devono decidere a ogni ramo se continuare a nuotare verso l'alto o verso il basso. Le loro capacità chemiotattiche conferiscono ai batteri recettori specializzati con cui riconoscono l'attrattivo. Hanno anche una mezza dozzina di flagelli che possono ruotare in senso orario o antiorario. "A seconda di ciò, il batterio cambia direzione o continua a nuotare in una direzione", spiegano Salek e Carrara.

Anche all'interno di un gruppo di cellule geneticamente identiche - cioè in cloni - i ricercatori dell'ETH hanno trovato individui in grado di seguire bene l'attrattivo (prendendo il percorso discendente verso la concentrazione più alta in ogni punto di ramificazione) - ma anche quelli meno capaci di orientarsi nel labirinto. Gli scienziati spiegano queste differenze di comportamento con il fatto che geni identici sono attivi in modo diverso nelle cellule dei fratelli. Ciò significa che le cellule decidono di avere quantità diverse delle proteine corrispondenti. "C'è una sorta di rumore biochimico in ogni cellula. Questa componente casuale fondamentale aumenta la diversità dell'aspetto e del comportamento", affermano i ricercatori.

Una popolazione di successo di individualisti

La diversità o eterogeneità nella chemiotassi può essere un vantaggio evolutivo per i batteri. Mentre gli individui più abili dal punto di vista chemiotattico possono identificare e sfruttare rapidamente fonti di cibo localmente stabili, le loro cellule sorelle, che sono meno influenzate dall'attrattivo, sono più propense ad avventurarsi in un nuovo territorio, dove possono trovare ulteriori fonti di cibo in un ambiente in costante cambiamento.

"La diversità non genetica è da tempo riconosciuta nelle scienze biomediche della vita e svolge un ruolo decisivo, ad esempio, nello sviluppo della resistenza agli antibiotici. Ora le scienze ambientali stanno dimostrando che anche caratteristiche fondamentali come la locomozione e la chemiotassi sono caratterizzate da questa diversità e stanno ampliando il concetto di individualità dei batteri", afferma Roman Stocker. Egli ipotizza che il diverso comportamento individuale dei batteri sia importante per comprendere meglio processi come le infezioni batteriche dei coralli o la degradazione microbica delle fuoriuscite di petrolio.