Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

La maggior parte degli esseri viventi, dai minuscoli organismi unicellulari agli animali complessi, possiede un senso interno del tempo. Questo orologio biologico permette loro di anticipare i cambiamenti prevedibili nel proprio ambiente, come il sorgere del sole o il raffreddamento dell'aria notturna, piuttosto che limitarsi a reagire ad essi dopo che si sono verificati. Negli esseri umani e in altri animali, questi orologi coordinano il sonno, il metabolismo e la funzione immunitaria, assicurando che attività contrastanti non si verifichino contemporaneamente. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questa capacità di tenere il tempo fosse limitata agli organismi con sistemi nervosi complessi o a quelli che praticano la fotosintesi, come le piante e certi batteri che raccolgono la luce solare. I batteri non fotosintetici, che costituiscono una vasta porzione del mondo microbico, erano generalmente ritenuti privi di questo meccanismo di temporizzazione interna, operando invece su una base puramente reattiva.

Un team di ricercatori ha ora scoperto che questa supposizione è errata. Hanno scoperto che l'Escherichia coli, un comune batterio spesso presente nell'intestino umano, possiede un'abilità intrinseca di tenere il tempo. Questo batterio non si limita a reagire al suo ambiente; può apprendere un ritmo quotidiano e continuare a seguirlo anche quando i segnali esterni vengono rimossi. Lo studio rivela che questi batteri utilizzano un sistema di segnalazione interna specifico per tracciare il passaggio del tempo, permettendo loro di prepararsi ai cambiamenti quotidiani di temperatura prima che avvengano. Questa scoperta suggerisce che la capacità di anticipare il futuro sia molto più diffusa nel mondo microbico di quanto precedentemente immaginato, sfidando la visione radicata che la capacità di tenere il tempo sia un tratto riservato alle forme di vita più complesse.

I ricercatori hanno iniziato la loro investigazione osservando come l'E. coli si comporta in un ambiente controllato. Hanno fatto crescere i batteri in colonie circolari sottili su un gel speciale che conteneva un colorante rosso. Questo colorante si lega a una sostanza appiccicosa chiamata curli, che i batteri producono per aiutare a aderire alle superfici e formare comunità protettive note come biofilm. Gli scienziati sapevano che la produzione di curli è sensibile alla temperatura, quindi hanno posto le colonie batteriche in un incubatore che ciclava tra due temperature: una più fresca di 25,5 gradi Celsius e una leggermente più calda di 28,5 gradi Celsius. Cambiavano la temperatura ogni dodici ore, imitando un ciclo giorno-notte.

Mentre i batteri crescevano verso l'esterno dal centro della piastra, lasciavano una registrazione visibile della loro attività. Quando i batteri producevano curli, il colorante rosso macchiava l'area, creando un anello scuro. Quando smettevano di produrli, l'anello rimaneva chiaro. Se i batteri stessero semplicemente reagendo alla temperatura, gli anelli scuri sarebbero apparsi esattamente quando la temperatura cambiava. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato qualcosa di diverso. Nel corso di diversi giorni, i batteri iniziarono a modificare il loro comportamento. Iniziarono a produrre la sostanza appiccicosa curli circa sei ore prima che la temperatura dovesse aumentare. Questo spostamento dalla reazione all'anticipazione è un segno distintivo di un vero orologio biologico. I batteri avevano sincronizzato il loro ritmo interno con il ciclo di temperatura esterno, imparando efficacemente il programma.

Per dimostrare che questo ritmo era interno e non solo una continua reazione all'ambiente, gli scienziati hanno eseguito un test cruciale. Dopo tre giorni di variazione della temperatura, hanno lasciato i batteri in una temperatura costante e invariata. Se i batteri stessero semplicemente reagendo al calore, il modello degli anelli avrebbe dovuto interrompersi immediatamente. Invece, i batteri hanno continuato a produrre la sostanza appiccicosa seguendo un modello ritmico per almeno altri tre giorni. Mantenevano un battito costante di circa ventiquattro ore, anche se il mondo esterno era diventato silenzioso. Questo fenomeno, noto come ritmo "free-running" (a corsa libera), ha confermato che i batteri stavano operando su un timer interno che era stato impostato dalle precedenti variazioni di temperatura.

Il team ha poi indagato su come i batteri riuscissero a coordinare due comportamenti opposti: aderire a una superficie e muoversi. I batteri usano code simili a fruste chiamate flagelli per nuotare verso condizioni favorevoli, ma devono smettere di nuotare e costruire una superficie appiccicosa per formare una comunità stabile. Queste due attività sono mutuamente esclusive; un batterio non può fare entrambe le cose contemporaneamente. I ricercatori hanno scoperto che i batteri separano questi compiti nel tempo. Quando i batteri sono più attivi nella produzione dei curli appiccicosi per l'adesione, i geni responsabili della costruzione dei flagelli per il nuoto sono silenti. Al contrario, quando i batteri si preparano a nuotare, la produzione della sostanza appiccicosa si interrompe. Questa separazione assicura che i batteri non sprechino energia cercando di eseguire compiti contrastanti simultaneamente, una strategia simile a quella con cui gli esseri umani dormono la notte e sono attivi durante il giorno.

Per comprendere la macchina dietro questo orologio, i ricercatori si sono rivolti alla genetica. Hanno esaminato un sistema di comunicazione specifico all'interno dei batteri chiamato fosforelay Rcs. Questo sistema agisce come una staffetta, passando un segnale chimico dal bordo esterno della cella al centro di controllo interno per dire ai batteri cosa fare. Creando batteri con parti di questo sistema danneggiate, gli scienziati hanno scoperto che la via Rcs era essenziale affinché l'orologio funzionasse. Senza un componente specifico di questa staffetta, i batteri potevano ancora percepire i cambiamenti di temperatura, ma perdevano la capacità di mantenere il ritmo una volta che la temperatura diventava costante. Ciò indicava che il meccanismo di temporizzazione stesso si trovava all'interno di questo percorso di segnalazione.

Lo studio ha anche esplorato come i batteri ricevessero il segnale iniziale per impostare i loro orologi. Hanno identificato un sistema separato chiamato BluFR, che funge da sensore sia per la luce blu che per le basse temperature. Questo sensore trasmette le informazioni nel relay Rcs. I ricercatori hanno scoperto che il sistema BluFR tracciava i cambiamenti ambientali ma non manteneva il ritmo da solo. Invece, fungeva da input che sincronizzava l'orologio interno Rcs. In una dimostrazione sorprendente, gli scienziati hanno mostrato che potevano resettare l'orologio dei batteri usando solo la luce. Esponendo i batteri a cicli di luce blu e oscurità, potevano indurre gli stessi modelli ritmici di produzione della sostanza appiccicosa, provando che i batteri potevano usare la luce come segnale temporale proprio come usavano la temperatura.

Infine, i ricercatori hanno confrontato la struttura del sistema di temporizzazione batterico con gli orologi ben noti presenti nei batteri fotosintetici, che sono gli unici altri batteri noti per avere un orologio molecolare definito. Nonostante non abbiano una storia genetica condivisa, le proteine nel sistema di temporizzazione dell'E. coli somigliano notevolmente, nella loro forma tridimensionale, alle proteine dell'orologio fotosintetico. Entrambi i sistemi utilizzano una serie di interruttori chimici e domini strutturali per elaborare le informazioni e generare un ritmo. Ciò suggerisce che la natura possa essere arrivata alla stessa soluzione per tenere il tempo in modi diversi, utilizzando principi architettonici simili per risolvere il problema di anticipare i cicli quotidiani.

Questa scoperta ridefinisce la nostra comprensione della vita batterica. Dimostra che anche un organismo semplice come l'E. coli può apprendere un programma, ricordarlo e agire in anticipo su di esso. La capacità di anticipare i cambiamenti ambientali probabilmente fornisce un vantaggio di sopravvivenza, permettendo ai batteri di prepararsi alle sfide della giornata prima che arrivino. Identificando i geni e le proteine specifici responsabili di questo monitoraggio temporale, i ricercatori hanno aperto una nuova porta per comprendere come i batteri coordinano il loro comportamento. Questa conoscenza potrebbe in futuro aiutare gli scienziati a prevedere come i batteri rispondono ai loro ambienti, portando potenzialmente a nuovi modi per gestire la crescita batterica in medicina e nell'industria. Lo studio conferma che la capacità di tenere il tempo è un tratto fondamentale e diffuso nel mondo vivente, estendendosi ben oltre gli organismi complessi che vediamo ogni giorno.