Tutti gli organismi multicellulari, dai più semplici organismi animali e vegetali fino agli esseri umani, vivono in stretta associazione con una moltitudine di microrganismi, il cosiddetto microbioma, che ne colonizzano i tessuti e vivono in rapporti simbiotici con l'ospite.
Molte funzioni vitali, come l’assorbimento dei nutrienti, la regolazione del sistema immunitario o i processi neurologici, derivano dalle interazioni tra l’organismo ospite e i microbi simbionti. La cooperazione funzionale tra ospite e microrganismi, che gli scienziati chiamano metaorganismo, viene studiata in dettaglio presso l'Università di Kiel nel Collaborative Research Center (CRC) 1182 Origin and Function of Metaorganisms.
Gli scienziati sospettano che il microbioma possa contribuire in modo significativo all’adattamento ambientale e alla forma fisica di un organismo nel suo insieme. Vedono una ragione di ciò nella rapida adattabilità dei microrganismi, che possono reagire molto più velocemente ai cambiamenti delle condizioni ambientali rispetto agli organismi ospiti, solitamente ad evoluzione più lenta.
Il modo in cui vengono stabilite la colonizzazione e la composizione del microbioma durante lo sviluppo individuale dell'organismo ospite è oggetto di ricerca attuale.
Un team del gruppo di ricerca di Ecologia e Genetica Evolutiva guidato dal Professor Hinrich Schulenburg presso l’Istituto Zoologico dell’Università di Kiel, insieme ad altri gruppi di ricerca del CRC 1182 di diverse facoltà e all’Istituto Max Planck per la Biologia Evoluzionistica di Plön, ha ora studiato il dinamica della colonizzazione del microbioma.
Hanno scoperto che il microbioma nell’organismo ospite del nematode non ha una composizione casuale per un ampio periodo della sua vita, il che suggerisce che la comunità microbica è il risultato di processi di selezione diretta. Lo studio è pubblicato su mBio .
Questa ipotesi è supportata dall’analisi del genoma delle specie microbiche nel microbioma del verme. Sono stati scoperti numerosi geni responsabili di alcune funzioni metaboliche importanti per l'organismo ospite e rilevanti anche in altri organismi.
Con questi risultati, i ricercatori di Kiel dimostrano ancora una volta che il nematode Caenorhabditis elegans è particolarmente adatto come organismo modello informativo per la ricerca sul microbioma intestinale.
Per studiare lo sviluppo della composizione del microbioma nel C. elegans nel tempo, la dottoressa Agnes Piecyk, ex ricercatrice del gruppo di Ecologia Evolutiva e Genetica, che ha pianificato e condotto gli esperimenti, ha utilizzato una comunità caratteristica di 43 diverse specie batteriche che sono tipicamente presente nei nematodi in natura.
Ha introdotto questa comunità microbica in animali precedentemente esenti da germi e li ha colonizzati su un terreno di coltura nelle immediate vicinanze dei vermi e in piastre Petri separate senza alcun contatto con gli animali. I ricercatori hanno poi analizzato come la composizione di questa comunità microbica sperimentale è cambiata in varie condizioni nel corso di circa una settimana in sei singoli punti nel tempo, che corrisponde alla durata media della vita dei nematodi.
Nel corso dell'esperimento è emerso che il tempo gioca un ruolo importante solo nelle comunità microbiche associate all'ospite, cioè nei batteri che vivono nei vermi. "La loro composizione è cambiata in modo tale che alcune specie batteriche specifiche apparivano più frequentemente", afferma il dottor Johannes Zimmermann, anche lui ricercatore nel gruppo di lavoro di Ecologia e genetica evolutiva, che ha analizzato i dati.
Ad esempio, i batteri Ochrobactrum ed Enterobacter si accumulano nell'intestino del verme. "Queste dinamiche non possono essere spiegate in modo convincente da processi stocastici, cioè in linea di principio casuali. Volevamo quindi scoprire se potrebbero esserci processi diretti coinvolti nel cambiamento dinamico del microbioma del verme nel corso del tempo", spiega Zimmermann.
Nella fase successiva, il gruppo di ricerca ha analizzato i genomi dei microrganismi nel microbioma dei vermi contenente tutte le informazioni genetiche delle comunità batteriche durante la vita dei vermi. È interessante notare che i ricercatori hanno trovato alcune sorprendenti somiglianze tra le comunità microbiche associate all'ospite e i geni noti dalla ricerca sul microbioma umano.
"Ipotizziamo che ciò non sia dovuto al caso, ma sia guidato da specifiche interazioni tra ospite e microbioma che influenzano la composizione del microbioma in determinati punti della vita dell'ospite.
"Una spiegazione molto plausibile per l'accumulo di determinate specie batteriche nei vermi rispetto ai gruppi di controllo potrebbe quindi essere che l'ospite selezioni specificamente determinati batteri e le funzioni ad essi associate, che a loro volta sono vantaggiose per l'organismo ospite", sottolinea Zimmermann .
Questa ipotesi è ulteriormente supportata dal fatto che le funzioni microbiche favorevoli sono universali e vanno oltre C. elegans, ad esempio la produzione di acidi grassi a catena corta, vitamina B12 o altre sostanze vitali.
Nel complesso, i ricercatori concludono che, a causa della dinamica della composizione del microbioma nel corso della vita del verme, le specie batteriche associate hanno sviluppato alcune strategie competitive e che, in particolare, sono favorite quelle specie che forniscono determinate funzioni utili all'ospite. In conclusione, i microrganismi colonizzatori sembrano quindi essere benefici per l'organismo ospite nel suo insieme e quindi aiutarlo ad adattarsi al suo ambiente.
"Con il nostro nuovo lavoro, forniamo importanti basi concettuali che ampliano la nostra comprensione della composizione e della funzione del microbioma e di come l'organismo ospite influenza la sua composizione", afferma Schulenburg.
"Il nostro studio basato sulla comunità microbica sperimentale dimostra ancora una volta che C. elegans ci fornisce un prezioso sistema modello che è rilevante anche per comprendere i processi fondamentali nel microbioma intestinale umano e le loro conseguenze sulla salute e sulle malattie", conclude Schulenburg. /P>
Ulteriori informazioni: Johannes Zimmermann et al, Le funzioni associate all'intestino sono favorite durante l'assemblaggio del microbioma in gran parte della vita di C. elegans, mBio (2024). DOI:10.1128/mbio.00012-24
Informazioni sul giornale: mBio
Fornito dall'Università di Kiel
