Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

Nel mondo della scienza alimentare, alcuni dei lavori più importanti avvengono nel regno invisibile dei batteri. Quando si producono formaggi tradizionali come il Gouda o il Cheddar, i produttori si affidano ai colturi di avviamento (starter culture): miscele di organismi microscopici che trasformano il latte in formaggio solido e creano il loro sapore distintivo. Per oltre un secolo, questi colturi sono stati mantenuti in vita e tramandati da un lotto all'altro, una pratica nota come l'uso di uno starter "indefinito", poiché la miscela esatta di batteri all'interno non è completamente nota o controllata. Gli scienziati sospettano da tempo che queste miscele siano più complesse di quanto appaiano, nascondendo una vasta gamma di diversi ceppi batterici che lavorano insieme per mantenere il formaggio sicuro e gustoso. Comprendere questa diversità nascosta è fondamentale perché determina quanto bene il formaggio resista agli attacchi di virus che infettano i batteri, noti come fagi, i quali possono rovinare un intero lotto di produzione.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di mappare questo mondo nascosto all'interno di un particolare colturo danese chiamato Tistrup, in uso da più di cento anni. Sapevano che il semplice fatto di far crescere batteri in una piastra di laboratorio per contarli non era sufficiente, poiché molti ceppi potrebbero essere persi o trascurati. Invece, hanno combinato due potenti metodi: far crescere una grande collezione di singoli ceppi batterici in laboratorio e leggere il codice genetico dell'intera miscela direttamente dal colturo, senza far crescere nulla prima. Confrontando ciò che hanno trovato in laboratorio con ciò che hanno trovato nella miscela grezza, hanno scoperto che la comunità era molto più intricata di quanto uno solo dei due metodi potesse rivelare. Lo studio dimostra che anche in un gruppo di batteri che appare semplice in superficie, esiste un profondo strato di varietà genetica che permette alla comunità di sopravvivere e prosperare.

I ricercatori hanno iniziato esaminando il colturo Tistrup, che è dominato da pochissime specie di batteri, principalmente Lactococcus cremoris e Lactococcus lactis. Poiché ci sono così poche specie, si aspettavano che le differenze genetiche tra i singoli batteri fossero piccole. Tuttavia, quando hanno sequenziato il DNA di 111 ceppi batterici distinti che hanno fatto crescere in laboratorio e li hanno confrontati con i dati genetici del miscuglio intero, hanno trovato una sorprendente quantità di complessità nascosta. I due metodi non concordavano semplicemente sugli stessi batteri; trovavano parti diverse della popolazione. I ceppi cresciuti in laboratorio rappresentavano solo una frazione della diversità presente nel colturo, mentre la lettura genetica diretta della miscela rivelava molti lignaggi che i metodi di laboratorio avevano completamente mancato.

Uno dei risultati più sorprendenti riguardava le pareti cellulari di questi batteri. La superficie esterna di un batterio è coperta da un rivestimento zuccherino chiamato polisaccaride della parete cellulare, che agisce come una specifica serratura che i virus usano per entrare e infettare la cellula. I ricercatori hanno scoperto che il tipo più comune di questo rivestimento zuccherino nel colturo, che costituisce quasi il trenta per cento della popolazione, era completamente assente dai batteri che hanno fatto crescere in laboratorio. Ciò significa che i batteri più abbondanti nel colturo erano proprio quelli che gli scienziati non sono riusciti a far crescere, lasciando una parte importante della comunità invisibile ai metodi tradizionali. I batteri cresciuti in laboratorio portavano principalmente versioni diverse e meno comuni di questo rivestimento zuccherino, suggerendo che le condizioni utilizzate per farli crescere in laboratorio favorissero un gruppo specifico e meno dominante.

Oltre alle pareti cellulari, i ricercatori hanno esaminato altre caratteristiche genetiche che aiutano i batteri a difendersi dai virus. Hanno esaminato la presenza di virus che si nascondono all'interno del DNA batterico, noti come profagi, e i vari sistemi di difesa che i batteri usano per contrastare gli attacchi. Hanno scoperto che questi strumenti di difesa erano combinati in innumerevoli modi tra i diversi ceppi. Anche i batteri che sembravano quasi identici nel loro codice genetico centrale possedevano diversi set di sistemi di difesa e virus nascosti. Questa varietà funge da scudo per la comunità: se un virus attacca un tipo di batterio, altri con difese diverse possono sopravvivere e mantenere in corso il processo di produzione del formaggio. Lo studio ha dimostrato che questa diversità difensiva era molto maggiore di quella che si poteva vedere guardando solo i ceppi cresciuti in laboratorio.

Il team ha anche investigato gli elementi genetici mobili, ovvero piccoli anelli di DNA chiamati plasmidi che i batteri possono scambiare tra loro. Questi plasmidi spesso trasportano geni essenziali per la produzione del formaggio, come quelli necessari per digerire lo zucchero del latte o scomporre le proteine. I ricerci hanno scoperto che anche questi plasmidi erano altamente diversificati e venivano trasportati da diversi ceppi in diverse combinazioni. Utilizzando una tecnica speciale che legge i segni chimici sul DNA, sono stati in grado di collegare molti di questi plasmidi ai batteri specifici che li trasportavano, anche quando quei batteri non erano stati cresciuti in laboratorio. Ciò ha permesso loro di vedere che lo stesso plasmide poteva essere trovato in specie diverse, spostandosi tra di esse e diffondendo tratti importanti in tutta la comunità.

Lo studio conclude che la complessità di questo avviamento lattiero-caseario non riguarda solo l'avere molte specie diverse, ma il vasto numero di diverse combinazioni genetiche esistenti all'interno di poche specie. I ricercatori hanno scoperto che nessun metodo singolo, sia la crescita dei batteri in laboratorio che la lettura del DNA dell'intera miscela, poteva catturare l'immagine completa. I metodi di laboratorio avevano mancato i ceppi più abbondanti, mentre la lettura diretta del DNA non riusciva sempre a determinare quale ceppo specifico trasportasse quale gene. Solo combinando entrambi gli approcci è stato possibile iniziare a vedere la vera entità della diversità. Questa varietà nascosta, che coinvolge pareti cellulari, sistemi di difesa e DNA mobile, fornisce alla comunità una robusta capacità di resistere agli attacchi virali e mantenere la qualità del formaggio. Le scoperte suggeriscono che la resilienza di questi avviamenti tradizionali deriva da una profonda diversità combinatoria che rimane ampiamente nascosta a meno che gli scienziati non osservino la comunità attraverso molteplici lenti.