Capire "chi sta con chi" nel microbioma

Le piante, gli animali e gli esseri umani sono colonizzati da numerosi microrganismi come batteri e funghi. Questi formano comunità complesse che hanno un'influenza decisiva sulla salute del loro ospite. Un microbioma ben noto è quello dell'intestino umano, che digerisce il cibo e respinge gli agenti patogeni.

Le piante ospitano comunità microbiche anche sulle radici e sulle foglie, che possono favorire la crescita e proteggere da germi nocivi. I microbiomi delle piante offrono il potenziale per un'agricoltura più sostenibile. Tuttavia, le interazioni di queste associazioni microbiche sono appena iniziate a essere comprese.

Perché in queste comunità sono presenti solo alcuni microbi, ma non altre specie? "Sapevamo che i microbiomi fogliari non sono collezioni casuali di microbi", afferma Julia Vorholt, professoressa di microbiologia all'ETH di Zurigo. "Ma le regole con cui si formano queste associazioni e i meccanismi che ne determinano la composizione non sono ancora chiari".

Un gruppo di ricerca sotto la guida di Vorholt ha ora identificato i batteri che abitano le foglie della pianta modello Arabidopsis thaliana I ricercatori hanno identificato tale principio organizzativo. I ricercatori hanno sviluppato una serie di modelli. Sulla base della nutrizione e del metabolismo dei singoli ceppi microbici, questi modelli possono prevedere come gli organismi sulla superficie della foglia interagiranno con o contro gli altri e come sarà il microbioma risultante.

Il team di ricerca ha recentemente pubblicato il resoconto del suo studio, a cui hanno partecipato anche i colleghi dell'ETH di Losanna, nella rivista scientifica pagina esternaScienza.

Concorso pionieristico per l'alimentazione

In uno studio precedente, il gruppo di Vorholt aveva già dimostrato che le comunità microbiche sulle foglie delle piante sono notevolmente simili. "La composizione stabile delle specie microbiche indica un meccanismo sottostante che controlla la struttura del microbioma fogliare", spiega Vorholt.

Martin Sch?fer, postdoc nel gruppo di Vorholt e primo autore dello studio, spiega: "Poiché tutti i ceppi batterici dipendono in ultima analisi da molecole organiche come fonte di cibo, abbiamo studiato in che misura la capacità dei batteri di metabolizzare diverse fonti di cibo o di specializzarsi possa predire le loro interazioni".

Il suo collega Alan Pacheco, anch'egli primo autore, aggiunge: "Le nicchie alimentari potrebbero portare a una coesistenza stabile e alla cooperazione in un ambiente competitivo, in cui i microbi interagiscono e traggono vantaggio l'uno dall'altro scambiandosi le risorse alimentari."

La domanda chiave formulata da Vorholt e dal suo team è: è possibile ricavare dalle funzioni metaboliche dei batteri processi che riproducano stabilmente il microbioma naturale delle foglie?

I profili di carbonio mostrano la competizione per le risorse

Per arrivare a questa domanda, i ricercatori hanno innanzitutto testato la capacità di crescita di oltre duecento ceppi batterici rappresentativi delle foglie di crescione su un totale di 45 fonti di carbonio diverse. Sulla base dei profili di carbonio, hanno determinato che le nicchie alimentari dei ceppi si sovrapponevano notevolmente. Ciò indica una forte competizione per le risorse.

Utilizzando i profili di carbonio, i ricercatori hanno creato una collezione di modelli metabolici significativi per tutti i ceppi batterici e hanno simulato le interazioni per oltre 17.500 accoppiamenti tra di essi. In linea con la sovrapposizione delle nicchie alimentari, le simulazioni hanno mostrato una pronunciata dominanza di interazioni negative, cioè una colonizzazione competitivamente ridotta di almeno uno dei due ceppi.

Evitare la competizione attraverso la cooperazione

Tuttavia, i modelli metabolici prevedevano anche interazioni positive. Un'analisi più approfondita ha mostrato che queste interazioni cooperative possono essere ricondotte allo scambio di acidi e aminoacidi organici. Gli autori hanno testato le previsioni dei modelli in esperimenti sulle piante e sono riusciti a confermarle con un'accuratezza dell'89%.

Il fatto che le previsioni del modello funzionino in modo così preciso ha sorpreso gli stessi ricercatori: "L'elevato potere predittivo indica che la nostra ipotesi di base sull'importanza delle proprietà metaboliche era corretta", afferma Pacheco.

Sfruttare i microbiomi in modo mirato

"Il bello dei nostri modelli è che funzionano anche al contrario", dice Vorholt, "sono adatti a identificare i meccanismi che portano a modelli di interazione". Ciò rende possibile una progettazione mirata del microbioma, che è un prerequisito fondamentale per le applicazioni.

I risultati non sono interessanti solo per la ricerca fondamentale, ma anche per la ricerca agricola applicata. Le aziende produttrici di sementi e di prodotti agrochimici stanno ora utilizzando prove ed errori per cercare microbi per una protezione sostenibile delle piante.

Vorholt è co-direttore del Centro nazionale di competenza per la ricerca sui microbiomi. L'attuale lavoro del suo team contribuisce alla ricerca della rete di 20 gruppi il cui obiettivo è comprendere i microbiomi - dalle piante all'uomo - in modo tale da poterne sfruttare il notevole potenziale per la salute, l'agricoltura e l'ambiente. Ad esempio, integrando le comunità sbilanciate con i microbi giusti, eliminando alcune specie o curando le malattie utilizzando combinazioni di batteri con funzioni speciali. La modellazione predittiva sarà fondamentale a questo scopo.