Hiding in plain sight: rare Bacillus cereus group species are present among unassembled metagenomic samples in public databases

Il suolo sotto i nostri piedi è una metropoli brulicante di vita microscopica, popolata da batteri che plasmano gli ecosistemi, guidano l'agricoltura e, occasionalmente, causano malattie. Tra questi abitanti invisibili si trova una complessa famiglia di batteri nota come il gruppo Bacillus cereus. Mentre alcuni membri di questa famiglia sono famigerati per causare intossicazioni alimentari o la letale malattia dell'antrace, altri sono innocui o addirittura benefici, utilizzati nell'industria per proteggere le colture o produrre sostanze chimiche utili. Per decenni, gli scienziati hanno mappato i genomi — i completi progetti genetici — dei membri più comuni e pericolosi di questo gruppo. Tuttavia, una parte significativa di questa famiglia batterica rimane un mistero. Esistono specie rare all'interno del gruppo che sono state scoperte oltre un decennio fa ma che non sono mai state ritrovate in natura. Fino ad ora, l'unica informazione genetica disponibile per queste specie rare derivava da un singolo ceppo isolato di ciascuna, lasciando gli scienziati con un'immagine frammentata e incompleta della loro biologia, di dove vivano e se possano rappresentare un rischio per la salute umana.

Il problema non era necessariamente che questi batteri rari non esistessero nell'ambiente, ma che si nascondevano in piena vista, trascurati dai metodi tradizionali. Per studiare i batteri, gli scienziati devono solitamente coltivarli in una piastra di laboratorio, un processo chiamato isolamento. Se un batterio è raro o difficile da coltivare, spesso sfugge alle crepe di questi esperimenti. Tuttavia, il mondo scientifico si è recentemente spostato verso un approccio diverso: la metagenomica shotgun. Invece di cercare di coltivare un singolo organismo, i ricercatori possono sequenziare tutto il DNA presente in un campione di suolo o acqua in una sola volta. Questo crea un enorme ammasso disorganizzato di frammenti genetici provenienti da migliaia di diversi organismi che vivono insieme. Sebbene potente, questo metodo è computazionalmente pesante, e molti di questi enormi dataset negli archivi pubblici non sono mai stati completamente assemblati in genomi completi. Giacciono lì, non assemblati, in attesa di essere decodificati.

Un team di ricercatori dalla Svezia ha voluto vedere se questi rari ed elusivi batteri si nascondessero all'interno di questi vasti archivi digitali non assemblati. Hanno ipotizzato che anche se nessuno avesse avuto successo nel coltivare queste specie rare in laboratorio di recente, le loro firme genetiche potrebbero essere sparse attraverso migliaia di campioni di suolo e acqua già conservati nei database pubblici. Per trovarli, il team ha prima identificato marcatori genetici unici — sequenze specifiche di DNA che agiscono come un'impronta digitale — per quattro delle specie più rare conosciute del gruppo Bacillus cereus. Queste specie, tra cui Bacillus manliponensis, Bacillus bingmayongensis, Bacillus gaemokensis e una specie provvisoriamente chiamata Bacillus clarus, erano state rappresentate da un solo genoma per anni. I ricercatori hanno poi utilizzato uno strumento di ricerca specializzato per scansionare i massicci dati del DNA non assemblato del Sequence Read Archive, cercando queste specifiche impronte digitali.

La ricerca ha avuto successo. Il team ha identificato sette campioni metagenomici che contenevano i marcatori genetici di questi rari batteri. Questi campioni provenivano da località diverse, tra cui il suolo di un frutteto di avocado in Israele, la zona radicale di piante di miglio in Cina e persino un campione di spinaci commerciali che era stato intenzionalmente contaminato con un altro tipo di batterio per uno studio sulla sicurezza. Ricomponendo i frammenti di DNA da questi specifici campioni, i ricercatori sono stati in grado di ricostruire genomi di alta qualità, quasi completi, di questi rari batteri senza mai doverli coltivare in una piastra di Petri. Hanno recuperato un genoma completo di Bacillus manliponensis dal suolo israeliano e un genoma parziale di Bacillus bingmayongensis dal campione di spinaci. Questo è stato un progresso significativo, poiché ha fornito i primi nuovi dati genetici per queste specie in oltre un decennio, andando oltre l'unico ceppo originale che le aveva definite per così tanto tempo.

Con questi nuovi genomi in mano, i ricercatori hanno potuto finalmente confrontare le specie rare tra loro e con i pochi altri ceppi che erano stati sequenziati più di recente. Hanno scoperto che questi batteri non erano cloni uniformi; mostravano una significativa diversità genetica. Ad esempio, il Bacillus manliponensis trovato nel frutteto israeliano era geneticamente distinto dal ceppo originale scoperto in Corea del Sud, ma era abbastanza strettamente correlato da confermare che si trattava della stessa specie. Allo stesso modo, il Bacillus bingmayongensis trovato nel campione di spinaci era strettamente correlato a un ceppo trovato nel suolo di arachidi in Cina, ma distinto da altri ceppi trovati in Tunisia. Ciò suggeriva che queste specie "rare" non erano confinate in un unico luogo oscuro, ma erano probabilmente più diffuse e geograficamente diverse di quanto precedentemente ipotizzato.

Lo studio ha anche gettato luce sui potenziali pericoli e sulle capacità di questi batteri. I ricercatori hanno esaminato i nuovi genomi alla ricerca di geni che producono tossine o altre sostanze nocive. Hanno scoperto che, sebbene queste specie rare non portassero i geni per l'antrace o la specifica tossina che causa il vomito, possedevano geni per altre tossine che possono causare diarrea. Interessante è che la presenza di questi geni tossici variava tra i diversi ceppi della stessa specie. Alcuni ceppi portavano un gene per una tossina chiamata sfingomielinasi C, mentre altri no. Questa variazione evidenzia un punto cruciale: non si può assumere che tutti i membri di una specie batterica si comportino allo stesso modo. Un ceppo trovato in laboratorio potrebbe essere innocuo, mentre un ceppo diverso della stessa specie trovato in un campo potrebbe possedere gli strumenti genetici per causare malattie.

Inoltre, il team ha esaminato gli elementi genetici mobili all'interno di questi batteri, come plasmidi e virus che possono saltare tra gli organismi. Hanno scoperto che i rari batteri trasportavano sequenze virali uniche e, in alcuni casi, plasmidi che potevano potenzialmente spostare geni tra i batteri. Un ceppo di Bacillus bingmayongensis è stato trovato in possesso di un plasmide con un cluster genico che potrebbe produrre una nuova sostanza simile a un antibiotico. Ciò suggerisce che queste specie rare non sono solo curiosità biologiche, ma partecipanti attivi nella guerra chimica e nella cooperazione che avviene nel suolo, potenzialmente detenendo le chiavi per nuove medicine o strumenti agricoli.

Le scoperte di questo studio mettono in discussione l'ipotesi che queste specie rare siano davvero rare o limitate ai loro siti di scoperta originali. Al contrario, sembrano essere presenti in ambienti agricoli e sistemi di produzione alimentare, come frutteti e prodotti commerciali, dove potrebbero interagire con gli esseri umani. I ricercatori sottolineano che il rilevamento di un batterio in un campione alimentare non significa automaticamente che sia una minaccia; molti fattori determinano se un batterio causa malattie. Tuttavia, la capacità di trovare questi organismi nei database pubblici senza coltivarli apre una nuova finestra per il monitoraggio. Suggerisce che la vera diversità del gruppo Bacillus cereus è molto più grande di quanto la nostra attuale collezione di campioni coltivati in laboratorio indichi.

Trattando i vasti archivi di dati del DNA non assemblati come un tesoro, i ricercatori hanno dimostrato un nuovo e potente modo per studiare il mondo microbico. Hanno dimostrato che le specie rare non sono necessariamente mancanti nel mondo, ma sono piuttosto mancanti dai nostri metodi tradizionali di osservazione. Questo approccio permette agli scienziati di bypassare i limiti della coltivazione dei batteri in laboratorio e di osservare direttamente il potenziale genetico degli organismi che vivono in ambienti complessi. Man mano che vengono generati più dati e che questi archivi digitali vengono esplorati, la nostra comprensione di questi rari e nascosti membri della famiglia batterica continuerà a crescere, rivelando un quadro più completo e accurato del mondo microbico che ci circonda.