I batteri possono controllare dove vanno usando una rete di segnalazione di molecole proteiche. Gli scienziati di AMOLF hanno sviluppato un metodo di microscopia che consente loro di vedere come i singoli batteri utilizzano questa rete per prendere decisioni. Hanno scoperto che i batteri sono sorprendentemente diversi per personalità e umore. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista scientifica eLife il 12 dicembre 2017.

batteri, essendo organismi unicellulari, non hanno un sistema nervoso, ma sono in grado di controllare i loro movimenti utilizzando una rete di molecole proteiche che interagiscono in modo speciale, proprio come i circuiti delle cellule nervose nel nostro cervello. "Ad esempio E. coli, un batterio innocuo che vive nel nostro intestino, "sa" come interrompere il suo movimento di nuoto, altrimenti diritto, con salti mortali che lo mettono in moto in una nuova, direzione casuale, "dice Tom Shimizu, capogruppo del gruppo di biologia dei sistemi di AMOLF. "E.coli utilizza proteine ​​sensoriali per rilevare cose come molecole di cibo o sostanze chimiche tossiche per decidere se la vita sta migliorando o peggiorando mentre nuota, e controlla la frequenza con cui cade per assicurarsi che finisca in un buon posto."

Zoom su singole celle

Per molti anni, i ricercatori hanno studiato come questi circuiti molecolari in batteri come E.coli rispondono ai cambiamenti nell'ambiente circostante, ma questo si basava su esperimenti in cui il segnale doveva essere mediato su centinaia di cellule. Johannes Keegstra, uno studente di dottorato nel gruppo di Shimizu, ha guidato lo sforzo per sviluppare un metodo di microscopia che consente ai ricercatori di vedere come la rete proteica in ogni singolo batterio risponde ai cambiamenti nell'ambiente, Per esempio, l'abbondanza di cibo.

Personalità

I batteri utilizzati negli esperimenti avevano esattamente la stessa sequenza di DNA (come gemelli identici) e sono stati anche coltivati ​​in condizioni identiche. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che la rete proteica in ciascuno di essi si comporta in modo diverso nello stesso ambiente chimico. "Ogni batterio sembra avere una propria personalità, " dice Keegstra. "Per esempio, abbiamo scoperto che la concentrazione chimica a cui rispondono i batteri, varia considerevolmente tra i batteri."

Stato d'animo

A parte le chiare differenze nelle risposte tra i batteri (personalità), Shimizu e Keegstra hanno anche visto che all'interno di ogni batterio, l'attività molecolare potrebbe cambiare notevolmente nel tempo. Hanno visto che il modo in cui le molecole proteiche nei batteri interagiscono per controllare il movimento non è stabile, ma varia costantemente nel tempo, anche in ambienti 'tranquilli' senza variazioni nella quantità di cibo o tossine. Questo 'umore lunatico' delle cellule significa che il meccanismo con cui 'decidono' di rotolare o nuotare dritto, non riceve un input costante, ma invece un input che varia casualmente.

I ricercatori ritengono che questi messaggi molecolari variabili debbano essere causati da eventi casuali all'interno della cellula. "Pensiamo che l'individualità batterica che abbiamo trovato non sia dovuta né alla natura (sequenze di DNA) né alla cultura (caratteristiche dell'ambiente), ma piuttosto a eventi casuali come collisioni molecolari all'interno della singola cellula del batterio, un classico esempio di ciò che i fisici chiamano "rumore", " dice Shimizu. "È importante che i batteri non hanno prodotto nuove proteine ​​durante l'esperimento. Ciò significa che mentre le differenze di personalità potrebbero essere causate da differenze nei livelli di proteine ​​tra i batteri, gli sbalzi d'umore dovevano essere il risultato del rumore nel modo in cui queste proteine ​​interagiscono in ciascun batterio".

Ricerca casuale di cibo

"Siamo rimasti davvero sorpresi da quanto drastici siano i loro sbalzi d'umore, " aggiunge Keegstra. "E poiché sappiamo che i batteri possono impedire a queste molecole messaggere di interagire in modo così casuale, pensiamo che probabilmente lo facciano per uno scopo."

Il controllo instabile del movimento può essere vantaggioso quando il cibo scarseggia. In tal caso, il gioco non riguarda tanto la risposta ai segnali sensoriali (come gli odori) quanto l'esplorazione efficiente dello spazio vuoto per individuare risorse rare. I batteri temperamentali farebbero meglio a esplorare grandi aree prive di caratteristiche perché il loro umore aiuta a evitare di tornare nello stesso posto.

Keegstra:"La notevole variazione nel modo in cui i batteri sono lunatici potrebbe significare che alcuni batteri agiscono come esploratori che esplorano territori lontani per guadagni occasionali ma grandi, mentre altri rimangono nelle vicinanze e sfruttano in modo efficiente le risorse locali. Una tale divisione del lavoro potrebbe essere utile per la popolazione nel suo insieme".

Le nuove intuizioni sul rumore nelle reti biochimiche creano opportunità biotecnologiche, aiutare gli ingegneri a costruire sistemi (come i batteri che producono insulina, ad esempio) che sono più resistenti al rumore o ne fanno un uso ottimale. I risultati su differenze più stabili (personalità) nel comportamento batterico possono anche avere un impatto sulle strategie mediche per colpire i batteri patogeni senza danneggiare i batteri buoni.

Lo studio presso AMOLF è stato co-pubblicato in eLife con una seconda carta, "Fonti multiple di fluttuazioni di attività lente in una rete chemiosensoriale batterica", di R. Colin e V. Sourjik dell'Istituto Max-Planck di microbiologia terrestre.