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I batteri mangiano i batteri
12 giugno 2025 |
Anche le creature più piccole possono essere brutali: non solo eliminano i potenziali concorrenti alimentari, ma usano anche i loro vicini morti come fonte di cibo. È questa la conclusione a cui è giunto il gruppo di ricerca guidato da Olga Schubert e Martin Ackermann presso l'istituto di ricerca acquatica Eawag. I ricercatori hanno collaborato con il team di Cara Magnabosco del Politecnico di Zurigo e con altri gruppi di ricerca e hanno appena pubblicato i loro risultati sulla rivista Science (*).
Lancia con punta carica di tossine
I ricercatori si sono resi conto del comportamento nefasto dei batteri quando hanno osservato al microscopio due diverse specie di batteri a forma di bastoncino che vivono nel mare in minuscole camere di crescita. "Abbiamo notato che le cellule di una specie iniziavano a dissolversi quando entravano in contatto con le cellule dell'altra specie", spiega Astrid Stubbusch, prima autrice dello studio.
Entrambe le specie appartengono allo stesso genere di batteri chiamati Vibrio. Una delle differenze è che una specie produce un complesso di 14 proteine diverse. In gergo tecnico, questo complesso è noto come "sistema di secrezione di tipo 6", o in breve T6SS. Il nome tecnico indica che i batteri hanno diversi sistemi di questo tipo. Tuttavia, non rivela affatto che questi sistemi sono armi molto complesse in una guerra che i batteri combattono tra loro.
Martin Ackermann vede il T6SS come una lancia con una punta carica di veleno. I batteri predatori sparano la lancia. Penetra nella cellula vicina, ma non provoca lesioni mortali. "Solo la tossina che la lancia porta nella cellula vicina la uccide", spiega Ackermann. Questo perché: "Le stesse cellule killer sono immuni al veleno. Le cellule della stessa specie si abbattono continuamente l'una con l'altra senza uccidersi".
Prima come una palla, poi sparita
Le cellule preda, invece, appartengono a specie batteriche che non sono in grado di produrre né una lancia né le proteine necessarie a rendere innocua la tossina. Quando vengono attaccate, muoiono. Al microscopio, i ricercatori hanno osservato che le cellule preda non scoppiavano, ma diventavano prima sferiche e poi si dissolvevano lentamente.
Dopo essere state attaccate, le cellule preda (rosa) diventano prima sferiche e poi si dissolvono. (Video: Glen Dsouza)
Il tempo di dissoluzione dipendeva dal liquido che i ricercatori lasciavano scorrere nelle piccole camere di crescita. Un liquido conteneva alginato: si tratta di un composto carbonioso comune nel mare. Tuttavia, può essere scomposto solo dalle cellule preda e quindi servire loro come cibo, ma non dalle cellule killer. L'altro liquido conteneva un composto contenente carbonio che può essere metabolizzato da entrambe le specie.
Nel liquido con il cibo per cellule killer e prede, le cellule sferiche sono scomparse dopo poco meno di 20 minuti, mentre nel liquido con alginato solo dopo circa 86 minuti. Utilizzando dei modelli di calcolo, i ricercatori hanno calcolato che "il guadagno totale approssimativo di nutrienti delle cellule T6SS-positive durante la dissoluzione lenta delle loro cellule preda è circa da 2 a 50 volte superiore rispetto alla dissoluzione veloce", scrivono i ricercatori nel loro articolo.
Come la volpe e la lepre
"Questa differenza nel tempo di dissoluzione potrebbe significare che le cellule killer caricano le loro lance con tossine diverse", afferma Glen D'Souza, uno degli autori dello studio. Se le cellule killer trovano cibo disciolto nel loro ambiente, uccidono rapidamente le cellule preda. In questo modo le cellule preda non entrano in competizione con il cibo contenuto nell'ambiente.
Tuttavia, se le cellule killer non hanno altro da mangiare, hanno tutto l'interesse a non perdere le molecole organiche contenute nella linfa cellulare delle cellule preda. "Quindi si assicurano che la cellula preda nelle vicinanze si svuoti lentamente, in modo da poter assorbire il maggior numero possibile di sostanze nutritive", spiega D'Souza.
Le cellule killer non possono crescere da sole nel liquido con alginato; dipendono dalle cellule preda. Anche in questo caso Martin Ackermann ha a disposizione un'immagine accattivante: paragona l'alginato all'erba di un prato, le cellule preda a una lepre e le cellule predatrici a una volpe. "La volpe non ha paura che la lepre mangi l'erba, tanto non può mangiarla", dice Ackermann. "La volpe si limita a cacciare la sua preda".
Gli esperti conoscono il complesso T6SS da tempo. Finora si pensava che servisse a eliminare i concorrenti alimentari. "Abbiamo dimostrato che questa non è la sua unica funzione", afferma Ackermann. "Le cellule predatrici lo usano anche per cacciare e mangiare le loro prede".
Geneticamente tagliati per la vita da predatori
Per scoprire quanto sia diffuso questo comportamento batterico appena scoperto e quale rilevanza ecologica possa avere, il team ha setacciato enormi database contenenti le sequenze di DNA di minuscole creature come batteri, funghi e virus che sono entrate in contatto con gli scienziati campionando un'ampia varietà di habitat.
Alla fine di queste analisi, due cose sono risultate chiare. In primo luogo, le specie batteriche che possiedono i geni T6SS spesso mancano di geni per la metabolizzazione di sostanze complesse (come l'alginato). In altre parole, molte cellule killer sono geneticamente progettate per la vita predatoria. Nel corso dell'evoluzione, si sono specializzate nel mangiare le cellule vicine.
In secondo luogo, le analisi genetiche dei ricercatori hanno dimostrato che "le T6SS si trovano praticamente ovunque", afferma Ackermann. I ricercatori hanno trovato la percentuale maggiore di batteri T6SS-positivi - quasi il 40% - nella cosiddetta rizosfera, cioè lo spazio intorno alle radici delle piante nel terreno, dove i contatti cellulari molto stretti tra molti microbi diversi sono all'ordine del giorno.
Possibili effetti sulla pompa del carbonio nel mare
Le cellule killer costituiscono solo il 4-7% di tutte le specie batteriche presenti negli oceani. Tuttavia, i ricercatori sospettano che svolgano un ruolo nella cosiddetta pompa del carbonio nel mare e che, di conseguenza, possano influenzare il clima globale.
La pompa del carbonio si basa sul fatto che la maggior parte della vita marina si svolge negli strati più alti dell'acqua. In superficie, microscopiche alghe catturano la luce del sole. Crescono e si riproducono - e nel processo estraggono anidride carbonica (CO2) dall'atmosfera. Hanno bisogno del carbonio per costruire la loro biomassa.
Le alghe sono il cibo del cosiddetto zooplancton. Si tratta di molte creature diverse e minuscole che nuotano negli strati più alti dell'acqua finché sono vive. Poi, come carcasse, mescolate alle alghe morte e alle feci dello zooplancton ancora vivo sopra di loro, affondano lentamente e delicatamente negli strati più profondi come fiocchi della cosiddetta neve marina.
La maggior parte dei fiocchi viene scomposta dai batteri durante il viaggio verso le profondità. Questo riporta il carbonio in superficie. Tuttavia, alcuni fiocchi affondano sul fondo degli oceani, dove rimangono per migliaia di anni. Complessivamente, la pompa del carbonio fa affondare ogni anno poco più di dieci gigatonnellate di anidride carbonica, che corrispondono a circa un quarto delle emissioni annuali globali.
Non è ancora chiaro come le cellule killer influenzino la pompa del carbonio con il loro comportamento predatorio. Nell'intervista, i ricercatori elencano diversi possibili meccanismi che accelerano o, al contrario, rallentano la pompa. "In ogni caso, è affascinante che le relazioni tra microscopiche cellule batteriche possano avere un impatto sul ciclo globale del carbonio", afferma Schubert.
Immagine di copertina: Glen Dsouza
Pubblicazione originale
Finanziamento / Cooperazione
- Fondazione Simons (Principles of Microbial Ecosystems Collaboration)
- ETH di Zurigo
- Eawag
- Programma Marie Curie Azioni per le persone COFUND
- Fondazione Gordon e Betty Moore