Un team di ricercatori dell'Université Côte d'Azur e del Centre Scientifique de Monaco ha recentemente condotto uno studio volto a comprendere meglio i modelli di nuoto dei batteri vicino alla superficie. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , potrebbe far luce su come i batteri esplorano le superfici, come cercano le cellule ospiti e come infettano queste cellule.

I batteri si muovono spesso vicino alla superficie dell'acqua o di sostanze acquose, che si verifica per una serie di motivi. Primo, i nutrienti negli ambienti acquosi si accumulano tipicamente sulla loro superficie. Inoltre, cellule ospiti, che sono particolarmente suscettibili di essere infettati da batteri patogeni anche sedersi, o fanno parte di, una superficie (cioè un tessuto cellulare).

I ricercatori hanno studiato per diversi anni i modelli di nuoto vicino alla superficie dei batteri. Studi precedenti suggeriscono che questi modelli sono determinati dalle interazioni idrodinamiche tra i batteri e la superficie su cui stanno navigando, che alla fine intrappolano i batteri in traiettorie circolari regolari che portano a un'esplorazione inefficiente della superficie.

La ricerca fisica sui modelli di nuoto dei batteri vicino alla superficie suggerisce che un singolo batterio sperimenta un'attrazione verso la superficie, così come una coppia effettiva causata dalla rotazione del fascio flagellare, che lo costringe a muoversi in cerchio. Questa osservazione ben documentata può essere spiegata da principi fisici fondamentali.

Quando si considera il quadro dipinto da queste osservazioni, però, è difficile capire come i batteri siano in grado di sopravvivere, poiché le loro interazioni idrodinamiche vicino alla superficie sembrerebbero un serio ostacolo alla loro sopravvivenza. Ciò che rende ancora più sconcertante la loro resistenza in circostanze così sfavorevoli è il fatto che in termini evolutivi, i batteri dovrebbero essere in grado di esplorare facilmente le superfici per trovare nutrienti e/o localizzare i siti di colonizzazione.

"Eravamo molto incuriositi da questi problemi e sospettavamo che questo approccio riduzionista della meccanica dei fluidi non potesse essere la storia completa, "Fernando Peruani, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Pensavamo che i batteri dovessero essere in grado di far fronte a questo handicap:rimanere intrappolati in un'orbita circolare non è certamente un modo efficiente per esplorare una superficie. Con questa idea in mente, abbiamo deciso di studiare come le diverse specie batteriche si muovono sulle superfici con l'obiettivo di capire come viene effettivamente eseguita l'esplorazione della superficie".

Il lavoro di Peruani e dei suoi colleghi fa parte di un progetto più ampio volto a comprendere meglio come i batteri patogeni infettano le cellule ospiti. Nel loro recente studio, hanno usato la videomicroscopia e hanno monitorato i batteri in una finestra di osservazione relativamente ampia, per ottenere lunghe traiettorie batteriche. Successivamente hanno analizzato le statistiche di queste traiettorie per osservare da vicino i modelli di nuoto vicino alla superficie dei batteri.

"I bruschi cambiamenti nella velocità mostrati dai batteri, che indicava che i batteri si fermavano a intermittenza, ci ha subito incuriosito, " ha detto Peruani. "Abbiamo quindi esaminato la distribuzione dei tempi in cui i batteri si muovevano e non si muovevano e abbiamo capito che se fosse stato usato un formalismo della catena di Markov per descrivere i dati, erano necessari tre stati. Questa osservazione ha giocato un ruolo chiave nella nostra ricerca".

Successivamente, i ricercatori hanno rivisitato i dati che avevano raccolto e analizzato i periodi in cui i batteri si erano "fermati". Hanno osservato che i batteri erano spesso legati alla superficie e ruotavano attorno a una delle punte del corpo cellulare.

"L'evidenza era chiara:i batteri stavano esplorando la superficie eseguendo eventi di adesione transitori, " ha detto Peruani. "Il passo successivo è stato quello di costruire una teoria per un nuotatore che ha uno stato interno, controllato da una catena di Markov, che adotta tre possibili valori, ciascuno di essi associato a una diversa equazione del moto. Questa è stata una sfida tecnica, ma lo sforzo è stato ripagato".

La teoria sviluppata da Peruani e dai suoi colleghi ha permesso loro di concludere che la frequenza con cui si verificavano le "fermate" osservate era tutt'altro che casuale. Piuttosto che ostacolare l'attività dei batteri, questa frequenza sembrava massimizzare la loro esplorazione della superficie.

Lo studio condotto da questo team di ricercatori ha portato a due osservazioni molto importanti. in primo luogo, i ricercatori si sono resi conto che i batteri utilizzano l'adesione transitoria come meccanismo per regolare l'esplorazione della superficie. In secondo luogo, hanno osservato l'esistenza di una frequenza di arresto ottimale, che massimizza l'esplorazione della superficie. L'E. coli enteroemorragico (EHEC) e altri batteri patogeni sembrano essere in grado di sintonizzare questa frequenza sul suo valore ottimale.

"Queste due osservazioni forniscono una migliore comprensione di come i batteri esplorano le superfici, che è un passaggio necessario per chiarire come cercano le cellule ospiti, e come i batteri li infettano, " ha detto Peruani. "Un messaggio importante da questo studio è che una comprensione fisica su come i batteri si muovono sulle superfici non può essere basata esclusivamente sulle interazioni idrodinamiche. Anche le interazioni di adesione giocano un ruolo cruciale. Inoltre, è l'interazione tra l'adesione e l'attività del fascio flagellare che consente ai batteri di riorientarsi e fuggire dalle trappole circolari imposte dalle interazioni idrodinamiche".

Le osservazioni raccolte da Peruani e dai suoi colleghi offrono nuove preziose informazioni sui modelli di nuoto dei batteri ben documentati in prossimità della superficie. I ricercatori stanno ora pianificando ulteriori studi volti a capire come i batteri patogeni cercano e infettano le cellule ospiti. Per diverse specie di batteri, si aspettano di osservare diverse strategie di ricerca e colonizzazione. Però, sospettano anche che il numero di strategie che osserveranno sarà significativamente inferiore al numero di specie esistenti di batteri patogeni.

"Un quantitativo, comprensione fisica delle infezioni batteriche, che ancora manca, può fornire suggerimenti su come prevenire le infezioni batteriche, " Aggiunse Peruani. "Il nostro studio, ad esempio, indica che l'adesione superficiale svolge un ruolo cruciale nell'esplorazione della superficie. D'altra parte, l'adesione superficiale dipende dalle adesine specifiche dei batteri, nonché sulle proprietà fisiche della superficie, e proveremo sicuramente a pensare a modi per modificare quelle proprietà fisiche".

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