Bacillus toyonensis biovar Thuringiensis: an overlooked entomopathogen?

Questo studio evidenzia la necessità di una rivalutazione tassonomica basata sul genoma all'interno del gruppo *Bacillus cereus*, suggerendo che alcuni ceppi di *Bacillus toyonensis* biovar *Thuringiensis* siano entomopatogeni trascurati capaci di produrre cristalli parasporali grazie al trasferimento genico orizzontale.

L'essenziale

Immagina il mondo dei batteri come una gigantesca biblioteca di ricette culinarie. In questa biblioteca, c'è un libro molto famoso chiamato Bacillus thuringiensis. Questo batterio è un "cuoco" specializzato: sa preparare delle "torte avvelenate" (dei cristalli proteici) che sono letali per gli insetti nocivi, ma innocue per gli esseri umani. Per questo motivo, è usato da decenni per proteggere i raccolti e combattere le zanzare.

Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che nella biblioteca ci sono dei "falsi amici" o, meglio, dei "furbi imitatori".

La storia degli imitatori
Gli autori di questo studio hanno scoperto che alcuni batteri, che pensavamo fossero "cugini" innocui o semplicemente diversi (chiamati Bacillus toyonensis e Bacillus cereus), in realtà hanno rubato le ricette seguite dal famoso Bacillus thuringiensis.

Ecco come funziona la loro scoperta, spiegata con un'analogia semplice:

1. Il furto di ricette (HGT - Trasferimento Genico Orizzontale):
   Immagina che i batteri abbiano dei "dischi USB" (i plasmidi) che contengono le ricette per fare le tossine contro gli insetti. Questi dischi USB possono essere copiati e passati da un batterio all'altro, anche se appartengono a famiglie diverse. È come se un cuoco che fa solo pasta (il B. toyonensis) rubasse la ricetta della torta avvelenata da un altro cuoco e la mettesse nel suo libro.
   Risultato? Il batterio "pasta" ora sa anche fare la "torta avvelenata" e uccide gli insetti, proprio come il suo vicino di banco.

2. L'errore di classificazione:
   Per anni, gli scienziati hanno guardato questi batteri e detto: "Oh, guarda, fa dei cristalli e uccide gli insetti! Deve essere Bacillus thuringiensis!".
   Ma con le nuove tecnologie di sequenziamento del DNA (come una scansione ultra-precisa del loro "codice a barre" genetico), hanno scoperto che il "codice a barre" principale di questi batteri appartiene in realtà alla famiglia del Bacillus toyonensis.
   È come se trovassi un cane che sa fare le acrobazie come un circo e lo chiamassi "Leone" perché fa le stesse cose, ma poi scopri che il suo DNA dice chiaramente che è un cane.

3. I nuovi nomi:
   Gli scienziati propongono di dare un nome più preciso a questi batteri "furbi". Invece di chiamarli semplicemente Bacillus toyonensis, dovrebbero essere chiamati Bacillus toyonensis biovar Thuringiensis.
   Pensa a questo come a un cognome e un nome: il cognome (toyonensis) dice da quale famiglia proviene, ma il nome (Thuringiensis) ci dice che ha le "specialità" (le tossine) di un'altra famiglia.

Perché è importante?
Questa scoperta è fondamentale per tre motivi:

• Non ci si può fidare solo dell'aspetto: Non basta guardare se un batterio fa dei cristalli per capire chi è. Bisogna guardare il suo DNA, altrimenti potremmo classificare male i batteri.
• Nuovi alleati per l'agricoltura: Se ci sono batteri che pensavamo fossero "semplici" o usati solo come probiotici (per aiutare la digestione degli animali) che in realtà possono uccidere gli insetti, abbiamo scoperto un nuovo arsenale di armi naturali per l'agricoltura sostenibile.
• Capire l'evoluzione: Ci insegna che in natura i batteri sono molto flessibili. Possono scambiarsi le "armi" (i geni tossici) molto facilmente, evolvendosi rapidamente per adattarsi all'ambiente.

In sintesi:
Gli scienziati hanno detto: "Attenzione! Ci sono dei batteri che pensavamo fossero innocui o diversi, ma che in realtà hanno rubato le armi contro gli insetti dai loro cugini famosi. Dobbiamo riscrivere i loro nomi nei libri di testo per capire meglio come funzionano e come possiamo usarli per proteggere le nostre piante".

È una storia di ladri di ricette, di errori di identificazione e di come la natura sia molto più creativa e connessa di quanto pensassimo.

Sommario tecnico

Titolo: Bacillus toyonensis biovar Thuringiensis: un entomopatogeno trascurato?

1. Il Problema

Il gruppo batterico Bacillus cereus comprende specie strettamente correlate come B. cereus, B. thuringiensis e B. toyonensis. Tradizionalmente, B. thuringiensis è stato distinto dalle altre specie per la capacità di produrre cristalli parasporali (proteine Cry e Cyt) con attività insetticida, mentre B. toyonensis è stato principalmente utilizzato come probiotico.
Il problema centrale affrontato nel lavoro è l'errata classificazione tassonomica di alcuni ceppi batterici. A causa della somiglianza cromosomica quasi identica tra le specie del gruppo B. cereus e della natura mobile dei geni che codificano per le tossine insetticide (spesso presenti su megaplasmidi e trasferibili tramite trasferimento genico orizzontale - HGT), ceppi che possiedono fenotipi tipici di B. thuringiensis (produzione di cristalli e tossicità) sono stati storicamente classificati come tale, anche quando il loro genoma cromosomico appartiene a B. toyonensis. Questo porta a una sottostima della diversità fenotipica e genetica di B. toyonensis e a un'incomprensione dei meccanismi evolutivi che conferiscono capacità insetticide.

2. Metodologia

Gli autori hanno adottato un approccio integrato che combina isolamento microbiologico, caratterizzazione fenotipica e analisi genomiche avanzate:

• Isolamento e Caratterizzazione Fenotipica: Campioni di suolo sono stati prelevati in diverse province dell'Argentina (Jujuy e Córdoba). I ceppi sono stati isolati dopo shock termico (80°C per 30 minuti) per selezionare batteri formanti spore. La presenza di cristalli parasporali è stata confermata tramite microscopia ottica (colorazione con Blu di Coomassie) e microscopia elettronica a scansione (SEM).
• Sequenziamento e Assemblaggio: È stato estratto il DNA genomico totale (cromosomico e plasmidico) e sono state generate librerie Illumina. I dati grezzi sono stati assemblati in contig utilizzando Velvet (in Geneious R11).
• Analisi Bioinformatica e Tassonomia:
  • Annotation: Utilizzo di NCBI Prokaryotic Genome Annotation Pipeline e RAST.
  • Identificazione Geni: Analisi BLAST contro un database personalizzato di proteine insetticide.
  • Delimitazione delle Specie: Utilizzo combinato di TYGS (Type Strain Genome Server), calcoli di ANI (Average Nucleotide Identity) con FastANI e PubMLST per confrontare i nuovi ceppi con i ceppi tipo di riferimento.
• Confronto con Ceppi Pubblici: Analisi genomica di ceppi precedentemente classificati come B. thuringiensis (es. ceppo MC28) e B. cereus (es. ceppo Rock 1-3) presenti nel database GenBank/RefSeq.

3. Risultati Chiave

• Riclassificazione di Ceppi Esistenti: L'analisi genomica ha rivelato che il ceppo B. thuringiensis MC28 e il ceppo B. cereus Rock 1-3, entrambi presenti nei database pubblici, mostrano un'identità nucleotidica media (ANI) e un'architettura filogenetica che li colloca chiaramente nella specie Bacillus toyonensis, non in B. thuringiensis o B. cereus.
• Nuovi Isolati: Due nuovi ceppi isolati in Argentina, Bto_UNVM-42 e Bto_UNVM-100, sono stati identificati come appartenenti a B. toyonensis (con ANI >98% rispetto al ceppo tipo P18), ma possiedono geni per cristalli parasporali (Cry, Cyt) e altre tossine.
• Proposta di Nomenclatura: Sulla base del sistema nomenclatura proposto da Carroll et al. (2020), gli autori propongono di rinominare questi ceppi come Bacillus toyonensis* biovar *Thuringiensis. Questo include anche il ceppo GM18, precedentemente identificato come B. toyonensis ma con produzione di inclusi parasporali e attività citotossica (verso linee cellulari tumorali umane), che ora viene formalmente assegnato al biovar Thuringiensis.
• Prove di HGT: I risultati supportano l'ipotesi che l'acquisizione di geni per tossine insetticide (spesso su plasmidi o elementi mobili) sia avvenuta tramite Trasferimento Genico Orizzontale (HGT) all'interno del gruppo B. cereus. Questo spiega come ceppi genomicamente B. toyonensis possano esprimere un fenotipo insetticida tipico di B. thuringiensis.

4. Contributi Principali

• Correzione Tassonomica: Dimostrazione che ceppi noti e nuovi isolati, classificati come B. thuringiensis o B. cereus, appartengono in realtà a B. toyonensis.
• Definizione del Biovar: Applicazione pratica della nomenclatura biovar per distinguere i ceppi di B. toyonensis che hanno acquisito la capacità di produrre cristalli parasporali e tossine insetticide.
• Espansione del Repertorio Genetico: Identificazione che B. toyonensis non è solo un probiotico, ma può ospitare un vasto repertorio di geni per proteine insetticide (Cry, Cyt, Vpb, App, Mpp, Tpp) acquisiti tramite HGT.
• Metodologia: Validazione di un approccio basato sul genoma (ANI, TYGS) come standard necessario per risolvere i confini delle specie nel complesso B. cereus, superando le limitazioni della sola caratterizzazione fenotipica.

5. Significato e Implicazioni

• Ridefinizione Evolutiva: Il lavoro sottolinea che l'evoluzione nel gruppo B. cereus è guidata fortemente dall'HGT, rendendo i tratti fenotipici (come la produzione di cristalli) instabili e non affidabili per la definizione della specie a livello cromosomico.
• Potenziale Biotecnologico: Riconoscere B. toyonensis come un potenziale entomopatogeno apre nuove possibilità per lo sviluppo di biopesticidi, sfruttando ceppi che potrebbero avere profili di sicurezza o proprietà diverse rispetto ai tradizionali ceppi di B. thuringiensis.
• Impatto sui Database: Evidenzia la necessità di una revisione critica dei database pubblici (come GenBank) per correggere le classificazioni errate, garantendo che le ricerche future su tossine e patogenicità si basino su identità tassonomiche accurate.
• Sicurezza e Applicazioni: La scoperta che ceppi di B. toyonensis possono avere attività citotossica verso cellule umane (come nel caso del ceppo GM18) richiede una rivalutazione della sicurezza nell'uso di questi batteri come probiotici o agenti di controllo biologico.

In sintesi, l'articolo propone un cambio di paradigma: B. toyonensis non è solo un probiotico, ma una specie che, attraverso l'acquisizione di plasmidi e geni mobili, può evolvere rapidamente in un potente agente di controllo biologico, richiedendo una tassonomia basata sul genoma per essere correttamente identificata e studiata.