microbiologia: sussurri di batteri

["Andrea Agostini" <lonanoda at tin.it>]

da boiler.it

giornale di scienza, innovazione e ambiente
                 19.05.2003

BIOLOGIA
Sussurri di batteri

di STEVE SILBERMAN

. In mare come allo scrutinio di un referendum...
. I batteri, «creature straordinarie»
. Da ricerche isolate a fiume in piena
. La regina della microbiologia



 BONNIE BASSLER è una bella quarantenne iperattiva. Alle conferenze spesso
la scambiano per una laureanda. Cinque mattine a settimana, percorre due
chilometri a piedi per arrivare alla Ymca locale e tenere il suo corso di
aerobica. Quando un rappresentante della MacArthur Foundation, l'autunno
scorso, le ha telefonato chiedendole timidamente se conosceva qualcuno che
meritasse il riconoscimento della fondazione, nota nel mondo per premiare le
menti più geniali, lei ha risposto: «Mi dispiace, ma non frequento persone
di così alto livello».

Il succo della chiamata, ovviamente, era che la Bassler - professore
associato di biologia molecolare a Princeton - è lei stessa un genio
unanimamente riconosciuto. Più di dieci anni fa, si è messa a studiare un
fenomeno che i suoi colleghi ritenevano di nessuna importanza: la
comunicazione batterica. Ora si ritrova in prima linea in una rivoluzione
scientifica di portata epocale. L'idea che i microrganismi abbiano qualcosa
da dirsi è una novità assoluta. Per oltre un secolo, le cellule batteriche
sono state considerate organismi egoisti e opportunisti, poco più che
semplici dispositivi votati all'autoriproduzione. Proliferavano nelle piante
e nei tessuti animali, nei ghiacci polari e nei crateri vulcanici, negli
additivi della benzina e nelle radiazioni: esseri estremamente adattabili ma
dalla vita, in fin dei conti, noiosa. L'«unico scopo» di un batterio -
scriveva il genetista François Jacob nel 1973 - è «quello di generare due
batteri».

Le ultime ricerche, invece, suggeriscono l'ipotesi che l'esistenza dei
microrganismi sia molto più articolata: ad alta gradazione sociale, fatta di
continue relazioni, insomma un susseguirsi di incessanti interazioni. La
Bassler e altri studiosi hanno scoperto che i batteri comunicano fra loro,
attraverso molecole simili ai feromoni. Tramite tale network di cellule,
questi esseri riescono a conservare una traccia collettiva dei cambiamenti
che avvengono nel loro ambiente, a tramare con gli esemplari della loro
stessa specie, a stabilire alleanze di mutuo soccorso con altri tipi di
microbi, ad annientare gli organismi ostili e a comunicare con quelli che li
ospitano. Questa strategia di gruppo è la stessa solitamente riferita alle
api, alle formiche, alle persone, ma mai prima d'oro messa in relazione con
i microrganismi. L'anno scorso, la Bassler e i suoi colleghi sono riusciti a
decodificare un linguaggio molecolare utilizzato da molte delle più
terribili particelle di distruzione di massa presenti in natura, come quelle
responsabili della diffusione del colera, della tubercolosi, della
polmonite, della setticemia, delle ulcere, del tumore allo stomaco, della
peste bubbonica e del morbo di Lyme. Oggi perfino la Big Pharma, di fronte
al numero crescente di microbi che si sta dimostrando resistente ai farmaci
attuali, sta dando credito al loro lavoro. La Bassler e gli altri pionieri
del suo campo, comunque, ci hanno regalato molto più che una serie di
potenziali bersagli farmaceutici. Le loro scoperte indicano che la capacità
di stabilire reti sociali di mutuo supporto non è solo uno dei presupposti
all'origine della vita. È il primo e il più importante di essi.

In mare come allo scrutinio di un referendum...

 La seppia a coda mozza vive nei bassi fondali delle Hawaii, nascondendosi
nella sabbia durante il giorno e riemergendo per cacciare quando cala
l'oscurità. Nelle notti di luna, la sua ombra dovrebbe renderla visibile ai
predatori, ma questo mollusco possiede un "organo luminoso" che emana un
bagliore bluastro, in perfetto accordo con la luce riflessa dall'acqua. Il
segreto della capacità di questo animale di simulare il chiarore lunare
risiede in una fitta comunità di batteri luminescenti, i Vibrio fischeri.
Pochi minuti dopo la nascita, nella seppia inizia a circolare, attraverso
una cavità del corpo, l'acqua del mare, che contiene milioni di
microrganismi diversi. Le ciglia dell'organo luminoso li espellono tutti,
tranne le cellule di Vibrio fischeri, appunto, che, con l'apporto di
ossigeno e aminoacidi, si moltiplicano e iniziano a emettere un bagliore. I
sensori situati sulla superficie del corpo del mollusco registrano il grado
di luminosità del cielo, e l'animale si apre formando una specie di corolla
di iris che ne copre l'ombra sulla sabbia. Ogni mattina, la seppia espelle
la maggior parte del suo tesoro di vibrioni luminosi, conservandone una
quantità sufficiente a riprendere l'intero ciclo al momento necessario.

All'inizio degli anni Sessanta, Woody Hastings, microbiologo dell'università
dell'Illinois, notò, nelle sue colture in vitro di Vibrio fischeri, un
particolare curioso. La popolazione batterica raddoppiava ogni venti minuti,
ma il quantitativo dell'enzima cellulare all'origine degli impulsi luminosi,
il luciferase, rimaneva inalterato per quattro o cinque ore, ripartendosi su
un numero sempre maggiore di cellule. Solo quando la proliferazione era
ormai abbondante, il bagliore nella provetta cominciava ad aumentare. Dal
punto di vista di un Vibrio fischeri, ritardare la produzione di chiarore ha
un certo senso. L'emissione di fotoni è un processo dispendioso per il
metabolismo - spiegano i biologi - e il tenue riflesso generato da un
organismo isolato tenderebbe a perdersi nell'immensità dell'oceano. Ma come
fanno queste cellule a capire che hanno raggiunto la massa critica? Uno
degli studenti di Hastings, Ken Nealson, ipotizzò che esse secernessero un
elemento chimico e che questo, accumulandosi nell'ambiente, aiutasse il
gruppo a individuare la soglia di densità ideale. Egli battezzò questa
molecola sconosciuta "autoinduttore". La sua teoria risultò essere corretta,
e al processo chimico di monitoraggio - un analogo biologico della verifica
delle partecipazioni in Senato prima di procedere al voto - fu dato il nome
di "percezione del quorum".

Recentemente, gli scienziati hanno iniziato a capire che l'importanza della
comunicazione intercellulare va ben oltre i semplici conteggi numerici.
Molte attività batteriche - si è scoperto - hanno origine da complesse
catene di segnali molecolari. Un esempio è quello della formazione di spore
che aumentano la resistenza dei microbi agli antibiotici. Un altro è il
diffondersi del contagio. Hastings, che oggi insegna a Harvard, ammette di
aver sottovalutato l'importanza di ciò che aveva osservato in laboratorio.
Egli pensava che la percezione del quorum fosse un comportamento specifico
dei microrganismi marini che stava studiando. "Dal mio punto di vista quei
batteri si trovavano a operare in condizioni del tutto particolari", spiega,
con un accenno di rimpianto. «In realtà, non ci voleva molto per capire che
lo stesso fenomeno doveva verificarsi anche in altri casi».


I batteri, «creature straordinarie»

Quando ancora frequentava l'Uc Davis, la Bassler sognava di diventare
veterinario. Ma le dissezioni, durante l'ora di biologia, la facevano
svenire. E detestava imparare a pappagallo i nomi dei muscoli e delle ossa.
Allora iniziò a lavorare come volontaria in un laboratorio di biochimica.
«Volevo curare il cancro», ricorda sorridendo, «ma poi ho scoperto che i
batteri sono delle creature davvero straordinarie». Nel 1990, prese a
collaborare col genetista Mike Silverman all'Agouron Institute di La Jolla,
in California. L'istituto era situato in cima a una scogliera, sulla costa
del Pacifico: organismi luminescenti brillavano nell'acqua nelle notti
serene. Proprio Silverman e un suo laureando, Joanne Engebrecht, avevano
mappato il circuito di percezione del quorum del Vibrio fischeri, clonando i
geni produttori del luciferase.

Ad Agouron, l'attenzione della Bassler fu catturata da un altro batterio
marino, il Vibrio harveyi. Al contrario del Vibrio fischeri, queste cellule
vivono in mare aperto o nell'intestino dei pesci, in conglomerati di varie
specie. Mentre la vita monotona di un Vibrio fischeri è facilmente
prevedibile, quella di questo microrganismo "cosmpopolita" assomiglia di più
alla nostra, perché esso si trova a dover fare i conti, di minuto in minuto,
con situazioni in continua evoluzione. Anche il Vibrio harveyi si illumina
quando raggiunge una certa densità di popolazione. Ma la novità era che se
in una coltura di questi microrganismi veniva introdotto un "miscuglio" di
esemplari di altre specie, essi continuavano a splendere. La Bassler scoprì
che quello che all'apparenza sembrava un unico sistema di segnalazione, in
realtà ne comprendeva due: il primo indicava la presenza di altre cellule di
Vibrio harveyi, mentre il secondo percepiva la vicinanza di altri tipi di
batteri. Lei e i suoi colleghi riuscirono a creare in laboratorio dei
"meccanismi di trasmissione" modificati - in grado di reagire esclusivamente
a segnali dell'uno o dell'altro tipo - e quindi a differenziare i due
circuiti.

L'operazione ha richiesto un impegno sovrumano, in piena sintonia con la
personalità della ricercatrice, incline per carattere a farsi ossessionare
da qualsiasi cosa: il suo peso, il suo senso di colpa per non aver trascorso
abbastanza ore in laboratorio e soprattutto i suoi batteri, di cui parla con
incrollabile entusiasmo. «Sapevate che il termine "vibrio" vuol dire
"vibrante"? Tranne l'Escherichia coli, che è un microrganismo un po' pigro,
i microbi, visti al microscopio, appaiono sempre in movimento», esordisce.
«I batteri sono migliori di noi. Sono la forma base dell'esistenza».
Silverman, oggi in pensione, ricorda una Bassler «deferente e dagli occhi
sgranati» al suo arrivo nel laboratorio, ma racconta come ben presto la
ragazza cominciasse a compiere passi da gigante con le sue ricerche,
superando ogni più rosea aspettativa. «Con il minimo stimolo, diventava
inarrestabile».

Ma, forse perché i suoi microbi luminescenti sembravano poter avere
un'influenza tutt'altro che significativa dal punto di vista sanitario e
commerciale, le scoperte della ricercatrice furono a lungo considerate
curiosità marginali dalla scienza ufficiale. Ma in realtà aveva più ragioni
di essere ottimista di quanto pensasse. Nel 1994, avrebbe firmato un
contratto come professore associato a Princeton. Thomas Silhavy, presidente
del comitato di selezione, era rimasto particolarmente colpito dai progressi
da lei compiuti in così poco tempo in un campo appena nato come quello della
percezione del quorum. «Un'intuizione preziosa, destinata a diventare la
base di una nuova disciplina», spiega Silhavy.


Da ricerche isolate a fiume in piena

Oggi la microbiologia si sta sviluppando a una velocità impressionante.
All'inizio degli anni Novanta, sono stati pubblicati degli studi sui sistemi
di segnalazione cellulare dell'Agrobacterium tumefaciens, che provoca tumori
negli organi legnosi delle piante, dell'Erwinia carotovora, l'agente del
marciume batterico nelle carote, e di un altro microrganismo particolarmente
dannoso, la Pseudomonas aeruginosa, responsabile del dieci per cento delle
infezioni comunemente contratte negli ospedali. Spesso letale per i malati
di fibrosi cistica, per le vittime di ustioni e per qualunque individuo dal
sistema immunitario compromesso, quest'ultimo microbo resiste agli
antibiotici circondandosi di una pellicola protettiva (l'equivalente
biologico di una fortezza). Peter Greenberg, ricercatore dell'Università
dell'Iowa, che aveva una figlia affetta da fibrosi cistica, riuscì a
scoprire che la produzione di tale pellicola era innescata da un sistema di
segnali molecolari. Alcuni microrganismi - si è scoperto - riescono
addirittura a danneggiare le reti di comunicazione di altre specie. Gli
staffilococchi responsabili dello shock tossico, per esempio, emettono
segnali molecolari "di disturbo" delle colonie batteriche vicine,
disattivando i loro circuiti di percezione del quorum prima che diventino
operativi.

La percezione del quorum ha delle significative implicazioni dal punto di
vista terapeutico. Con l'Era dell'Antibiotico, è stato lanciato un forte
attacco ai batteri patogeni, promuovendo farmaci che li annientassero il più
velocemente possibile. Questo approccio radicale ha portato, nei
microrganismi, a quella che i genetisti definiscono "massima pressione
selettiva". In pratica, il nostro è stato un contropiede di cinquant'anni su
un avversario che si riproduce ogni venti minuti. Le ricerche della Bassler
prospettano invece nuove ipotesi terapeutiche, che non uccidano i batteri ma
ne danneggino piuttosto le reti di trasmissione dati. Un possibile approccio
sarebbe quello di bloccare i recettori dei segnali molecolari in modo che le
cellule non diventino mai virulente; un altro sarebbe quello di prendere di
mira i meccanismi intracellulari di duplicazione del Dna.

A Princeton, la Bassler iniziò a studiare la misteriosa molecola che
consentiva al Vibrio harveyi di comunicare con le altre specie. Nel 2002,
riuscì finalmente a identificarla, denominandola Ai-2 (autoinduttore 2). Con
l'aiuto del dipartimento di chimica dell'università, la ricercatrice fu in
grado di saperne anche la composizione: si trattava prevalentemente di boro,
un elemento diffuso praticamente ovunque nella biosfera, ma del quale non si
è mai individuata la precisa funzione biologica. Clonando il gene
codificatore dell'Ai-2, la Bassler e i suoi colleghi scoprirono che almeno
cinquanta specie batteriche possiedono il corredo genetico necessario alla
produzione di tale molecola. L'Ai-2 sarebbe, in pratica, l'Esperanto dei
microrganismi: un linguaggio molecolare per la comunicazione tra specie
diverse, che questi esseri parlano, sotto i nostri occhi, da più di un
milione di anni. Non tutti sono d'accordo, però. L'anno scorso, Paul
Williams, della Nottingham University, ha pubblicato un saggio intitolato
Bacterial Cell-to-Cell Communication: Sorry, Can't Talk Now - Gone to Lunch!
(«Comunicazione batterica intercellulare: spiacenti, ora non possiamo
parlare - Siamo a pranzo!»). Secondo Williams, l'Ai-2 funge da segnalatore
molecolare nel Vibrio harveyi, ma nella maggior parte degli altri organismi
è solo un prodotto metabolico di scarto.


La regina della microbiologia

Alla fine degli anni Novanta, i National Institutes of Health rifiutarono di
finanziare la Bassler, suggerendole diplomaticamente di rivolgersi a un
altro comitato l'anno successivo. Per molti anni, le maggiori fonti di
appoggio economico della ricercatrice sono state la National Science
Foundation e l'Office of Naval Research, impegnato in un'attenta opera di
monitoraggio dei meccanismi di percezione del quorum dal momento che le
pellicole di protezione batteriche danneggiano l'acciaio delle navi,
sporcano l'acqua e rallentano la navigazione. «La cosa positiva è che non
bisognava contendersi i soldi con nessuno», ricorda la Bassler. «Quella
negativa era che i soldi non c'erano». Nell'ultimo anno, però, i saggi
pubblicati in tutto il mondo hanno dimostrato che la ricercatrice aveva
ragione riguardo all'Ai-2. Ed è saltato fuori qualche soldo in più.
Quest'anno il laboratorio della Bassler ha ottenuto il suo primo
finanziamento dai Nih. E una parte dei 500 mila dollari della Fondazione
MacArthur potrebbe essere utilizzata per incentivare scienziati di altri
settori a interessarsi della comunicazione intercellulare. Gruppi di ricerca
sulla percezione del quorum stanno nascendo in Inghilterra, in Germania, a
Singapore, in Svezia e in Brasile, nonché in molte altre università
americane.

Per un numero crescente di ricercatori, il termine "percezione del quorum" è
una definizione troppo limitata. Molti preferiscono "segnalazione
intercellulare", una locuzione che sottolinea come l'elemento comunicativo
sia l'istanza fondamentale di ogni forma di vita e non solo di alcune
eccezioni. Alcuni ritengono che la trasmissione molecolare sia stata una
delle prime fasi dell'evoluzione che ci ha portati a diventare le creature
complesse che siamo oggi. Il meccanismo di divisione del lavoro nelle
colonie batteriche assomiglia molto a quello che regola lo sviluppo e la
differenziazione dei tessuti animali. «In che modo un cuore si distingue da
un fegato?», spiega la Bassler. «Probabilmente la comunicazione molecolare è
stata il punto di partenza per l'evoluzione degli organismi multicellulari».

Il riconoscimento della Fondazione MacArthur ha trasformato la Bassler da
sconosciuta ricercatrice in (per citare una sua definizione autoironica)
"regina della percezione del quorum". Ma lei non si è assolutamente montata
la testa. Le fa piacere che il suo corso di genetica avanzata sia
altrettanto seguito delle sue lezioni di aerobica, ma a renderla più felice
è sempre la vita di laboratorio. Ama starsene tra le sue provette e i suoi
vetrini, che - a suo dire - riservano una sorpresa ogni giorno. Le sue
scoperte ci hanno insegnato che anche gli esseri che occupano gli ultimi
gradini della scala dell'evoluzione darwiniana possiedono un tratto
caratteristico fino a poco tempo fa considerato patrimonio esclusivo della
specie umana: l'inclinazione a scambiarsi continue informazioni sul mondo
circostante. Secondo la Bassler, l'instaurazione delle reti di comunicazione
intercellulare nelle comunità microbiche ha determinato una svolta analoga a
quella originata «dal passaggio dalla vita in fattoria a quella al centro di
Manhattan. I batteri conoscono se stessi e gli altri, sanno distinguere
amici e nemici, e sono impegnati in una guerra biologica contro di noi da
oltre un milione di anni».