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Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno dimostrato un fenomeno della comunità microbica che essenzialmente equivale a insegnare ai vicini come completare i compiti necessari strappando e condividendo parti del cervello.
Il processo consente ai microbiomi di mantenere se stessi e i loro ambienti sani e potrebbe aiutare gli scienziati a creare sistemi microbici robusti e personalizzati per applicazioni che vanno dalla pulizia delle tossine dall'ambiente alla produzione di biocarburanti e altri prodotti di consumo.
La ricerca appare online il 1 settembre sulla rivista Nature Chemical Biology .
Comunità microbiche grandi e complesse vivono ovunque nel mondo, dai fiumi e montagne agli esseri umani e alle case. Ma sia che si confrontino i microbiomi sulle cime innevate in Asia o all'interno dello stomaco di gemelli umani identici, la composizione delle specie all'interno di queste comunità può variare notevolmente.
Non importa quanto diversi possano sembrare questi microbiomi in superficie, se vivono in ambienti simili, probabilmente svolgeranno le stesse funzioni. Un modo per valutare quali processi stanno eseguendo è concentrarsi sui geni che codificano le funzioni piuttosto che sulle specie stesse.
"Se si contano il numero delle copie dei geni che codificano per alcune funzioni, il loro numero può rimanere stabile anche se la composizione delle specie della comunità cambia drasticamente", ha affermato Lingchong You, professore di ingegneria biomedica alla Duke. "Un percorso importante per raggiungere questo livello di stabilità è il trasferimento genico orizzontale."
Il trasferimento genico orizzontale è il processo mediante il quale i batteri condividono costantemente ricette genetiche per nuove capacità scambiando pacchetti di materiale genetico chiamati plasmidi. A livello concettuale, non è del tutto dissimile dal creare una copia di una collezione di neuroni che sappia fare le lasagne, strapparvela dalla testa e darla a un amico per usarla.
Nel nuovo documento, tu e i suoi colleghi dimostrate che questo trasferimento genico svolge un ruolo essenziale nel mantenere sani i microbiomi e nel garantire il completamento delle attività critiche. Partendo da due diverse specie di batteri, i ricercatori hanno controllato i livelli di trasferimento genico orizzontale e hanno dimostrato che tassi più elevati portavano a concentrazioni più stabili di questi geni.
Il team ha quindi costruito una comunità di un massimo di 72 batteri che scambiano fino a 13 geni diversi contemporaneamente e ha misurato la stabilità dei geni. Come con il modello più semplice, i geni scambiati più frequentemente hanno mantenuto un livello più stabile all'interno del microbioma nel suo insieme.
"Questi risultati sono stati speculati in precedenza, ma mai quantificati all'interno delle comunità viventi", ha detto. "L'altra strada per raggiungere questo livello di ridondanza è avere più specie che possono svolgere la stessa funzione. Ma un alto livello di trasferimento genico orizzontale è un metodo molto più solido per ottenere gli stessi risultati."
In altre parole, una squadra di costruzione potrebbe essere estremamente resistente all'abbandono degli elettricisti se anche gli idraulici sul posto sapessero come cablare un edificio. Ma la stessa squadra sarebbe ancora più resiliente se gli elettricisti rimanenti potessero semplicemente trasferire la loro esperienza a chiunque sul posto di lavoro quando necessario, indipendentemente dalla loro professione.
Andando avanti, You spera di studiare le comunità microbiche naturali per dimostrare definitivamente che questo fenomeno è importante per la salute di un microbioma al di fuori di un laboratorio. Ha anche in programma di implementare questa divisione dinamica del lavoro attraverso il trasferimento genico orizzontale in sistemi microbici ingegnerizzati.
"Ci sono casi in cui è difficile progettare vie metaboliche complesse in una singola specie batterica in cui è più facile avere popolazioni diverse che svolgono diverse fasi del processo", ha affermato. "Questo studio suggerisce che possiamo implementare quella strategia attraverso il trasferimento genico in modo da non doverci preoccupare della composizione specifica delle specie. Possiamo semplicemente lasciare che la comunità trovi il miglior equilibrio per se stessa pur sapendo che continuerà a ottenere il lavoro fatto." + Esplora ulteriormente
