I batteri anticipano i cambiamenti in atto nel loro ambiente
Dallo Schwartzreport dell’11 giugno 2008
PhysOrg.com
Ancora una volta la ricerca ci dice che ciò che pensiamo essere un semplice organismo non è così semplice.
Ringraziamenti a Dean Radin, PhD.
Un nuovo studio condotto dai ricercatori della Princeton University mostra per la prima volta che i batteri non solo reagiscono ai cambiamenti del loro ambiente – ma li prevedono e si preparano ad essi. I risultati, riportati nel numero di giugno della rivista Science, sfida l’idea dominante che soltanto gli organismi con un complesso sistema nervoso hanno questa capacità.
“Abbiamo provato per la prima volta che i batteri possono utilizzare il loro intuito e trarre stimoli sensori dal loro ambiente per dedurre eventi futuri”, ha dichiarato Saeed Tavazoie, professore associato di biologia molecolare, che ha condotto lo studio insieme all’allievo laureato Ilias Tagkopoulos e al ricercatore postdottorato Yir – Chung Liu.
Il team di ricerca, che comprendeva biologi e ingegneri, si è avvalso di esperimenti di laboratorio utilizzati per dimostrare siffatto fenomeno in atto tra i batteri comuni. Sono state effettuate, altresì, simulazioni al computer per spiegare in quale modo la rete interna di geni e proteine si evolve nel tempo per produrre tale complesso problema.
“Le due linee di indagine sono confluite armoniosamente per mostrare come semplici reti biochimiche possono eseguire sofisticate funzioni di calcolo” ha detto Tavazoie.
Inoltre tali risultati, che gettano luce su profonde questioni nel campo della biologia, potrebbero avere molte implicazioni pratiche. Potrebbero aiutare gli scienziati a capire come i batteri mutano per sviluppare resistenza agli antibiotici, nonché a far proliferare batteri specializzati nell’esecuzione di compiti utili, come, ad esempio, la pulizia di ambienti contaminati.
In una parte dello studio, i ricercatori hanno osservato il comportamento di E. coli, il batterio onnipresente che viaggia avanti e indietro nell’ambiente e nell’intestino dei vertebrati a sangue caldo. Volevano risolvere l’annosa questione dello scarafaggio: come fanno i suoi geni a rispondere ai cambiamenti di temperatura e di ossigeno che verificano quando il batterio entra nel l’intestino? La risposta convenzionale è che reagisce al cambiamento – dopo averlo percepito – mediante il passaggio dalla respirazione aerobica (ossigeno) a quella anaerobica (meno di ossigeno). Se ciò fosse vero, tuttavia, l’organismo sarebbe svantaggiato durante il tempo necessario ad effettuare il passaggio. “Questo tipo riflesso condizionato non sarebbe ottimale,” ha detto Tavazoie.
I ricercatori hanno proposto una migliore strategia per ilo scarafaggio. Durante il ciclo vitale dell’E. coli il livello di ossigeno non è l’unica cosa che cambia, s i riscontra anche un forte aumento della temperatura quando il batterio entra nella bocca dell’animale. Potrebbe questo improvviso calore dare il segnale al batterio per prepararsi alla successiva mancanza di ossigeno?
Per testare questa idea, i ricercatori hanno esposto una popolazione di E. coli a svariate modifiche di temperatura e ossigeno, e misurato le risposte dei geni. I risultati sono stati sorprendenti: un aumento di temperatura ha quasi gli stessi effetti sui geni del batterio di quelli prodotti da una diminuzione del livello di ossigeno. Infatti, nel momento d el passaggio a d una temperatura più alta, molti dei geni essenziali per la respirazione aerobica è come se si spegnessero.
Per dimostrare che tali esiti non sono frutto di una mera coincidenza genetica, i ricercatori hanno, poi, coltivato i batteri in un ambiente biologicamente capovolto dove i livelli di ossigeno sono aumentati proporzionalmente all’aumento di temperatura. Notevolmente, entro poche centinaia di generazioni gli scarafaggi si adatta vano parzialmente a questo nuovo regime e i geni non si spegnevano più a causa della respirazione aerobica determinata dall’aumento della temperatura.
“Questa riprogrammazione indica chiaramente che l’arresto della respirazione aerobica a seguito di un aumento della temperatura non è indispensabile per la sopravvivenza dell’E. coli”, ha detto Tavazoie. “Al contrario, sembra che il batterio abbia ” imparato “questo riflesso condizionato associando a temperature specifici livelli di ossigeno nel corso della sua evoluzione.”
In assenza di un cervello o anche di un primitivo sistema nervoso, come può la cellula di un batterio portare a compimento tale compito? Mentre gli animali più progrediti sono in grado di apprendere nuovi comportamenti all’interno di un unico ciclo di vita, i batteri apprendono nel corso di molte generazioni e su scala temporale evolutiva, ha spiegato Tavazoie. Per ottenere una più profonda comprensione di questo fenomeno, il suo team ha sviluppato un ecosistema microbico virtuale, chiamato “Evoluzione delle variabili ambientali”. Ogni microbo in questo ampio quadro è rappresentato come una rete di interazione di geni e proteine. Viene realizzata una popolazione di scarafaggi virtuale in evoluzione ed in competizione per le risorse all’interno di un ambiente che muta e riproduttiva dei compiti dei batteri nel mondo reale.
Al fine di attuare tale struttura, i ricercatori hanno avuto a che fare con l’ampiezza e la complessità della simulazione realistica di qualsivoglia sistema biologico complesso. Hanno dovuto tenere traccia di centinaia di geni, proteine e di altri fattori biologici presenti nella popolazione microbica ed osservare come variano milioni di punti nel corso del tempo. “Simulazioni su questa scala e di tale complessità sarebbero state impraticabili in passato”, ha detto Tagkopoulos. Anche con l’ausilio del supercomputer in dotazione all’Università e con il supporto del gruppo di lavoro, l’esperimento si è concluso in 18 mesi, ha dichiarato Tagkopoulos. In questo mondo virtuale i microbi hanno maggiori probabilità di sopravvivere se riescono a conservare l’energia per spegnere i processi biologici che consentono loro di alimentarsi.
La sfida che dovevano affrontare è quindi di anticipare l’arrivo di alimenti e alzare il loro metabolismo appena in tempo. Per aiutarli i ricercatori hanno dato in dotto negli scarafaggi segnali alimentari prima di nutrirli ed i messaggi dovevano apparire nel giusto modo per significare l’arrivo del cibo.”per prevedere con precisione l’ora dei pasti, i microbi dovrebbero risolvere problemi logici” ha detto Tagkopoulos, uno studente del quinto anno laureato in ingegneria elettrotecnica e il principale architetto del quadro ambientale evolutivo variabile.
Ed è sufficientemente certo che dopo qualche migliaio di generazioni è emerso un ceppo di microbi che ha fatto esattamente questo. E il riflesso condizionato alla somministrazione di questi scarafaggi gastronomici ha raggiunto il culmine proprio nel momento in cui è stato offerto loro del cibo, ha detto Tagkopoulos.
Quando i ricercatori hanno esaminato una serie di scarafaggi virtuali, all’inizio non si spiegavano il fenomeno, “i loro recettori e reti nervose biochimiche erano pieni di componenti apparentemente inutili”, ha detto Tagkoulolos. “non è questo il modo in cui un ingegnere traccerebbe una rete logica per la soluzione del problema”.
Ridotte ai loro elementi essenziali, tuttavia, le reti hanno rivelato una semplice ed elegante struttura. I ricercatori potrebbero ora tracciare le diverse sequenze di geni e proteine nelle loro interazioni e gli organismi utilizzati per rispondere agli stimoli ed anticipare il momento del pasto, “e tale esperimento ci ha fatto comprendere come semplici organismi come i batteri possono elaborare informazioni dall’ambiente e siano in grado di anticipare eventi futuri”, da dichiarato Tagkopoulos.
I ricercatori hanno detto che loro conclusioni aprono molte emozionanti vie di ricerca. Essi hanno in programma di utilizzare simili metodologie per studiare come i batteri scambino i geni gli uni con gli altri (trasferimento genico orizzontale) e come i tessuti e gli organi si sviluppino (morfogenesi), come le infezioni virali si diffondano e risolvere altri problemi fondamentali in biologia.
“Ciò che entusiasma veramente della nostra scoperta è l’unione e le profonde connessioni tra settori tradizionalmente separati di ecologia microbica, evoluzione globale ed il comportamento” ha detto Tavazoie.
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