Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

I batteri sono spesso immaginati come erranti solitari, singole cellule che vagano nel proprio ambiente e si dividono da sole. Eppure, molti batteri vivono come vaste comunità cooperative, formando reti intricate che ricordano le radici di una pianta o i fili di una tela di ragno. Tra questi ci sono gli streptomiceti, un gruppo di batteri che vivono nel suolo e crescono come lunghi filamenti ramificati chiamati ife. Questi filamenti si intrecciano per creare un micelio multicellulare, una rete vivente che esplora il terreno alla ricerca di nutrienti. Affinché questa rete funzioni, i singoli filamenti devono coordinare la propria crescita. Devono sapere dove estendersi, quando ramificarsi e, soprattutto, come evitare di scontrarsi tra loro in modo da creare un groviglio disordinato ed inefficiente. Questa coordinazione richiede un sofisticato sistema di comunicazione interna, un modo per le cellule di percepire i propri vicini e regolare la propria forma e direzione di conseguenza.

Nel suolo, dove il cibo è spesso scarso e distribuito in modo non uniforme, la capacità di organizzare efficientemente una rete multicellulare è una questione di sopravvivenza. Se i filamenti crescono in modo casuale, potrebbero farsi spazio a vicenda, sprecando energia e non riuscendo a coprire il terreno efficacemente. Gli scienziati sanno da tempo che i batteri usano segnali chimici per comunicare tra loro, ma i meccanismi specifici che permettono a una rete di filamenti di mantenere una struttura pulita e organizzata mentre cresce su una superficie sono rimasti un mistero. La ricerca recente ha rivolto la sua attenzione a un insieme unico di strumenti genetici presenti in questi batteri, noti come sistemi delle proteine G. Questi sono macchine molecolari che agiscono come interruttori, accendendo o spegnendo i geni in risposta all'ambiente. Nello specifico batterio Streptomyces venezuelae, esistono otto versioni diverse di questi sistemi, ma fino ad ora nessuno sapeva esattamente cosa facessero la maggior parte di essi o come aiutassero i batteri a costruire le loro complesse case multicellulari.

Un team di ricercatori dell'Università di Lund, in Svezia, si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma rimuovendo sistematicamente ciascuno di questi otto sistemi genetici, uno alla volta, per vedere cosa accadeva ai batteri. Hanno fatto crescere i batteri modificati su diversi tipi di cibo, che andavano da gel ricchi di nutrienti a superfici molto povere e minimali che simulano le condizioni ostili del suolo. Ciò che hanno scoperto è che due di questi sistemi, lavorando insieme, agiscono come architetti della rete batterica. Quando i ricercatori hanno rimosso entrambi questi specifici sistemi, i batteri hanno perso la capacità di organizzarsi. Invece di diffondersi in uno strato uniforme e ordinato dove ogni filamento ha il proprio spazio, i batteri mutanti hanno iniziato ad ammassarsi. I loro filamenti si sono attaccati l'uno all'altro, formando fasci spessi e simili a corde che sembravano un groviglio di lana piuttosto che una delicata ragnatela.

Questo comportamento di ammassamento non era solo una questione di batteri che si attaccavano tra loro per caso. I ricercatori hanno osservato che i filamenti mutanti crescevano in linee dritte e rigide, mentre i batteri selvatici crescevano in curve dolci e sinuose. I batteri selvatici sembravano evitare attivamente i propri vicini, crescendo negli spazi vuoti tra gli altri filamenti per coprire la superficie uniformemente. Questo "auto-evitamento" permetteva loro di esplorare il cibo disponibile in modo più efficiente. I mutanti, privi dei due sistemi genetici chiave, avevano perso questa capacità. Crescevano in linea retta e si attaccavano a tutto ciò che era vicino, inclusi altri filamenti mutanti e persino i filamenti selvatici con cui venivano coltivati. I ricercatori hanno testato se i batteri stessero rilasciando sostanze chimiche invisibili nell'aria o nell'acqua che causavano questo attaccamento, ma non hanno trovato prove di tali segnali. Al contrario, il problema sembrava essere intrinseco alle cellule mutanti stesse; le loro superfici erano cambiate, rendendole appiccicose e inclini ad ammassarsi.

Osservando i geni che erano attivi nei batteri mutanti, gli scienziati hanno scoperto perché questo stesse accadendo. I mutanti avevano aumentato il volume di un grande gruppo di geni responsabili della costruzione della parete cellulare e della produzione di rivestimenti zuccherini all'esterno della cellula. La sovrapproduzione di materiali superficiali probabilmente rendeva i filamenti appiccicosi, causando la loro adesione reciproca. Tuttavia, la storia non finiva con il semplice ammassamento microscopico. I ricercatori notarono anche che i mutanti si comportavano diversamente su scala più ampia. Mentre i batteri selvatici si sarebbero diffusi in un sottile film dall'aspetto calvo attraverso la piastra — un comportamento noto come crescita esplorativa — i mutanti non riuscivano a farlo. Invece, formavano colonie dense e lanose che sembravano cercare di crescere verso l'alto nell'aria, anche quando le condizioni non erano adatte a tale crescita.

Per capire perché i mutanti fallissero nell'esplorazione, i ricercatori hanno cercato batteri che avessero risolto spontaneamente il problema. Trovarono che alcuni dei batteri mutanti avevano acquisito nuove mutazioni che permettevano loro di diffondersi nuovamente, quasi come il tipo selvatico. Quando hanno analizzato il DNA di questi batteri "soppressori", trovarono che la correzione coinvolgeva spesso cambiamenti a un altro set di geni che controllano un segnale chimico noto come cGMP ciclico (cyclic-di-GMP). Questo segnale è un regolatore principale che dice ai batteri quando smettere di crescere e iniziare a produrre spore. I ricercatori conclusero che i mutanti originali stavano crescendo troppo velocemente e maturando troppo presto. Poiché stavano correndo per formare spore, non prendevano mai il tempo necessario per diffondersi e esplorare la superficie adeguatamente. I due sistemi genetici rimossi agivano come un freno, mantenendo i batteri in uno stato vegetativo di crescita abbastanza a lungo da costruire una rete adeguata.

Lo studio ha rivelato che questi due sistemi genetici hanno due compiti distinti che sono sorprendentemente separati. Un compito è controllare la forma fisica dei filamenti e prevenire che si attacchino tra loro, garantendo che la rete rimanga aperta e organizzata. L'altro compito è impedire ai batteri di maturare troppo rapidamente, permettendo loro di esplorare completamente l'ambiente. I ricercatori hanno dimostrato di poter risolvere il problema dell'esplorazione cambiando i segnali di maturazione, ma questo non risolveva il problema dell'ammassamento. I filamenti continuavano ad attaccarsi tra loro anche quando ai batteri veniva permesso di crescere più a lungo. Ciò significa che il modo in cui i batteri costruiscono la loro forma e il modo in cui decidono quando crescere o maturare sono controllati da percorsi differenti, anche se entrambi sono gestiti dallo stesso paio di sistemi genetici.

Questo lavoro fornisce un quadro chiaro di come un semplice batterio riesca a gestire il complesso compito di vivere come una comunità multicellulare. Dimostra che i batteri non crescono semplicemente in modo casuale; utilizzano strumenti genetici specifici per percepire l'ambiente, regolare la propria forma e coordinarsi con i propri vicini. Senza questi strumenti, la rete collassa in un groviglio disordinato e la colonia fallisce nell'esplorare i propri dintorni. Le scoperte suggeriscono che la capacità di mantenere una struttura pulita e organizzata è importante per la sopravvivenza dei batteri quanto la capacità di trovare cibo. Comprendendo questi meccanismi, gli scienziati possono iniziare a vedere come questi antichi organismi si siano evoluti per prosperare nel complesso e competitivo mondo del suolo, costruendo intricate città di filamenti che sono molto più organizzate di quanto si fosse precedentemente realizzato.