I biologi della UC di San Diego hanno scoperto che i batteri, spesso visti come umili creature solitarie, - sono in realtà molto sofisticati nelle loro interazioni sociali e comunicano tra loro attraverso meccanismi di segnalazione elettrica simili a quelle dei neuroni nel cervello umano.
In uno studio di questa settimana, pubblicato in anticipo rispetto alla pubblicazione on-line di Nature, gli scienziati hanno dettagliato il modo in cui i batteri che vivono in comunità comunicano tra loro elettricamente tramite proteine chiamate "canali ionici."
"La nostra scoperta non solo cambia il nostro modo di pensare ai batteri, ma anche il modo di pensare al nostro cervello", ha detto Gürol Suel, professore associato di biologia molecolare alla UC di San Diego che ha guidato il progetto di ricerca. "Tutti i nostri sensi, il comportamento e l'intelligenza emergono dalle comunicazioni elettriche tra i neuroni nel cervello mediate dai canali ionici. Ora scopriamo che i batteri utilizzano canali ionici simili per comunicare e risolvere stress metabolici. La nostra scoperta suggerisce che i disturbi neurologici che sono attivati da stress metabolici potrebbero avere antiche origini batteriche, e questo potrebbe quindi fornire una nuova prospettiva su come trattare tali condizioni".
"Gran parte della nostra comprensione dei segnali elettrici nel nostro cervello si basa su studi strutturali dei canali ionici batterici", ha detto Suel. Ma come i batteri utilizzano questi canali ionici è rimasto un mistero finchè Suel e dei suoi colleghi hanno intrapreso uno sforzo per esaminare la comunicazione a lunga distanza all'interno di un biofilm (densa comunità organizzata contenente milioni di cellule batteriche). Queste comunità di batteri possono formare strutture sottili sulle superfici (come il tartaro che si sviluppa sui denti) altamente resistenti agli agenti chimici e antibiotici.
L'interesse degli scienziati nello studio dei segnali a lungo raggio è cresciuto dopo uno studio precedente, pubblicato nel mese di luglio su Nature, che ha scoperto che i biofilm sono in grado di risolvere i conflitti sociali all'interno della loro comunità di cellule batteriche, proprio come le società umane.
I ricercatori hanno scoperto che quando un biofilm composto da centinaia di migliaia di cellule batteriche di Bacillus subtilis cresce arrivando ad una certa dimensione, il bordo esterno, con accesso illimitato ai nutrienti, periodicamente smette di crescere per consentire ai nutrienti stessi, in particolare il glutammato, di fluire verso il centro isolato del biofilm. In questo modo, i batteri situati nel centro protetto della colonia vengono tenuti in vita e potrebbero sopravvivere ad attacchi chimici ed antibiotici.
Rendendosi conto che le oscillazioni nella crescita del biofilm richiedono un coordinamento a lungo raggio tra i batteri situati alla periferia e all'interno del biofilm, unitamente al fatto che i batteri erano in competizione per il glutammato, la presenza di tale molecola elettricamente carica, ha spinto i ricercatori a ipotizzare che il coordinamento metabolico tra le cellulee lontane all'interno del biofilm potrebbe comportare una forma di comunicazione elettrochimica. Gli scienziati hanno precisato anche che il glutammato è noto anche per veicolare circa la metà di tutte le attività del cervello umano.
Così hanno progettato un esperimento per testare la loro ipotesi. L'obiettivo era di misurare accuratamente i cambiamenti di potenziale della membrana cellulare batterica durante le oscillazioni metaboliche.
I ricercatori hanno osservato oscillazioni del potenziale di membrana che hanno abbinato alle oscillazioni nella crescita del biofilm e ha scoperto che i canali ionici erano responsabili di questi cambiamenti nel potenziale di membrana. Ulteriori esperimenti hanno rivelato che le oscillazioni conducono segnali elettrici a lungo raggio all'interno del biofilm attraverso una propagazione spaziale di onde di potassio, uno ione carico. Poiché queste onde di ioni carichi si propagano attraverso il biofilm, essi coordinano l'attività metabolica dei batteri nelle regioni interne ed esterne del biofilm. Quando il canale ionico che permette al potassio di fluire dentro e fuori dalle cellule è stato eliminato dai batteri, il biofilm non era più in grado di condurre questi segnali elettrici.
"Proprio come i neuroni nel nostro cervello, abbiamo scoperto che i batteri utilizzano canali ionici per comunicare tra loro attraverso segnali elettrici", ha detto Suel. "In questo modo, la comunità di batteri all'interno biofilm sembra funzionare proprio come un 'cervello microbico'."
Suel ha aggiunto che il meccanismo specifico mediante il quale i batteri comunicano tra loro è sorprendentemente simile a un processo del cervello umano noto come "cortical spreading depression", che si pensa essere coinvolto in emicranie e convulsioni.
"La cosa interessante è che entrambi, sia le emicranie che i segnali elettrici dei batteri che abbiamo scoperto sono scatenate da stress metabolico", ha detto. "Questo suggerisce che molti farmaci originariamente sviluppati per l'epilessia e l'emicrania possono anche essere efficaci nell'attaccare i biofilm batterici, che sono diventati un crescente problema per la salute in tutto il mondo a causa della loro resistenza agli antibiotici."
Lo studio è stato finanziato da sovvenzioni del NIH's National Institute of General Medical Sciences (R01 GM088428, P50 GM085764), il San Diego Center for Systems Biology e la National Science Foundation (MCB-1.450.867).
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