I biologi hanno scoperto che i batteri comunicano come i neuroni nel cervello

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Immagine: i batteri all’interno di un biofilm hanno meccanismi di segnalazione elettrica simili a quelli dei neuroni nel cervello umano.
Credit: Laboratorio Suel

I biologi della UC San Diego hanno scoperto che i batteri – spesso visto come umili creature solitarie – sono in realtà molto sofisticati nelle loro interazioni sociali e comunicano tra loro attraverso meccanismi di segnalazione elettrica simili a quelli dei neuroni nel cervello umano.

In uno studio pubblicato questa settimana sulla rivista Nature, gli scienziati hanno spiegato in modo dettaglio, come 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 i batteri, ma anche il modo di pensare il nostro cervello”, ha detto Gürol Suel, Professore associato di biologia molecolare alla UC 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 lo stress metabolico. La nostra scoperta suggerisce che i disturbi neurologici che sono attivati ​​da stress metabolico possono avere antiche origini batteriche e potrebbe quindi fornire una nuova prospettiva su come trattare queste 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 i canali ionici è rimasto un mistero fino ad oggi”.

Suel ed i suoi colleghi hanno intrapreso uno sforzo per esaminare la comunicazione a lunga distanza all’interno di biofilm – organizzate comunità contenenti milioni di cellule batteriche-. Queste comunità di batteri possono formare strutture sottili sulle superfici – come il tartaro che si sviluppa su denti – altamente resistenti agli agenti chimici e antibiotici.

L’interesse degli scienziati nello studio dei segnali a lungo raggio è cresciuto da uno studio precedente pubblicato nel mese di luglio dalla rivista  Natura, che ha trovato che i biofilm sono in grado di risolvere i conflitti sociali all’interno della loro comunità di cellule batteriche, proprio come le società umane.

In un biofilm composto da centinaia di migliaia di Bacillus subtilis, le cellule batteriche crescono fino a una certa dimensione. I ricercatori hanno scoperto che il bordo esterno di protezione delle cellule, con accesso illimitato ai nutrienti, periodicamente smette di crescere per consentire ai nutrienti – in particolare al glutammato -, di fluire verso il centro riparato del biofilm. In questo modo, i batteri protetti al centro della colonia sono tenuti in vita e possono sopravvivere agli attacchi chimici e degli antibiotici.

Rendendosi conto che le oscillazioni nella crescita di biofilm richiede un coordinamento a lungo raggio tra i batteri alla periferia e quelli all’interno del biofilm, unitamente al fatto che i batteri erano in competizione per il glutammato, una molecola elettricamente carica, i ricercatori hanno ipotizzato che il coordinamento metabolico tra le cellule lontane all’interno biofilm poteva comportare una forma di comunicazione elettrochimica. Gli scienziati hanno notato che il glutammato è noto anche per guidare 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 potenziale della membrana cellulare batterica durante le oscillazioni metaboliche.

I ricercatori hanno osservato oscillazioni del potenziale della membrana cellulare batterica che hanno abbinato alle oscillazioni della crescita del biofilm ed  hanno scoperto che i canali ionici erano responsabili di questi cambiamenti nel potenziale della membrana.Ulteriori esperimenti hanno rivelato che le oscillazioni erano condotte da segnali elettrici a lungo raggio all’interno dei biofilm che si propagano attraverso uno ione carico di potassio e 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 le cellule è stato eliminato dai batteri, il biofilm non era in grado di condurre questi segnali elettrici.

“Proprio come nei 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 dei 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 nel cervello umano noto come “spreading depression corticale”, che è pensato per essere coinvolto in emicranie e convulsioni.

“La cosa interessante è che entrambi, emicranie e la segnalazione elettrica nei batteri che abbiamo scoperto, sono scatenate da stress metabolico”, ha spiegato il ricercatore. “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 di salute in tutto il mondo, a causa della loro resistenza agli antibiotici”.

Fonte: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15709.html

 

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