Guerre Intestinali: Come i Batteri si Aggrappano e Combattono nel Nostro Intestino (e in quello dei Vermi!)

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi in un mondo microscopico ma incredibilmente affascinante: l’intestino. Non solo il nostro, ma anche quello di un piccolo verme chiamato *Caenorhabditis elegans*, che si sta rivelando un modello straordinario per capire cosa succede là dentro. Parleremo di batteri, di come alcuni riescono a “mettere radici” attaccandosi alle pareti intestinali e di come questa capacità influenzi la loro convivenza, a volte pacifica, a volte decisamente bellicosa.

Il nostro intestino, e quello di molti animali, è un ecosistema brulicante di vita. Miliardi di microbi convivono, ma non è un ambiente facile. Devono resistere ai succhi digestivi, al sistema immunitario che li sorveglia e al continuo “flusso” che tende a spazzarli via. Come fanno alcuni a rimanere? Una strategia chiave è l’aderenza: aggrapparsi saldamente alle cellule che rivestono l’intestino, l’epitelio intestinale.

Pensateci: è come cercare di restare fermi su una parete scivolosa durante un acquazzone. Chi ha buoni appigli ha più chance di restare. Questa capacità è cruciale non solo per i batteri “buoni” (commensali), ma anche per quelli “cattivi” (patogeni) che cercano di stabilirsi e causare problemi.

La Scoperta nei Vermi Selvatici

Studiando i *C. elegans* raccolti in natura, da substrati vegetali in decomposizione in giro per il mondo (Francia, India, USA, Guyana Francese…), abbiamo fatto una scoperta intrigante. Abbiamo trovato diversi tipi di batteri che non si limitavano a “nuotare” nel lume intestinale, ma si attaccavano letteralmente alle cellule epiteliali, spesso in modo molto intimo e orientato (polare). È stata una sorpresa, perché molti batteri noti del microbioma di *C. elegans*, come quelli del consorzio CeMbio, non mostrano questo tipo di attaccamento diretto.

Utilizzando tecniche di microscopia avanzata (come il contrasto interferenziale differenziale, DIC) e sonde fluorescenti specifiche (FISH), abbiamo potuto visualizzare questi batteri *in vivo*, proprio mentre erano “incollati” alla parete intestinale. Abbiamo notato subito che c’erano almeno tre “look” diversi:

• Bacilli che causavano un rigonfiamento notevole nella parte anteriore dell’intestino.
• Bacilli sottili, così fitti da essere difficili da distinguere l’uno dall’altro.
• Bacilli che si disponevano a “pettine”, più facilmente distinguibili singolarmente.

Questa diversità morfologica suggeriva la presenza di specie batteriche differenti.

Dare un Nome ai Nuovi Arrivati

Per capire chi fossero esattamente questi batteri “appiccicosi”, abbiamo sequenziato il loro genoma. Per uno di loro (quello a pettine) è stato facile, perché siamo riusciti a coltivarlo in laboratorio (in vitro). Gli altri due, invece, si sono rivelati più schivi, impossibili da far crescere fuori dall’intestino del verme. Per loro, abbiamo dovuto estrarre il DNA direttamente dai vermi colonizzati, dopo averli “puliti” per bene da altri contaminanti esterni con un lavaggio piuttosto energico a base di detergenti e antibiotici (una procedura che i batteri intestinali, protetti all’interno del verme in uno stadio resistente chiamato dauer, riescono a superare).

L’analisi genomica e filogenomica (che ricostruisce le parentele evolutive basandosi sui geni) ci ha permesso di identificarli:

• Il batterio che causava il rigonfiamento (trovato originariamente in India in un *C. briggsae*, un parente di *C. elegans*) è risultato essere una specie e un genere completamente nuovi nell’ordine Enterobacterales. Lo abbiamo chiamato Candidatus Lumenectis limosiae (LUAb1). “Lumenectis” significa “che espande il lume”, per via del rigonfiamento che provoca, e “limosiae” deriva da Limos, la dea greca della fame, dato il suo effetto patogeno.
• Il batterio sottile e fitto (trovato in *C. tropicalis* nella Guyana Francese) appartiene sorprendentemente all’ordine Rickettsiales, un gruppo noto per contenere parassiti intracellulari obbligati (come *Rickettsia* o *Wolbachia*). Questo però vive *fuori* dalle cellule! Lo abbiamo chiamato Candidatus Enterosymbion pterelaium (LUAb2). “Enterosymbion” significa “simbionte intestinale”, e “pterelaium” si ispira al mitologico Re Pterelao, che aveva una ciocca d’oro che lo rendeva immortale, un richiamo all’aspetto “a capello” di questi batteri. La sua natura extracellulare apre nuove domande sull’evoluzione delle Rickettsiales.
• Il batterio a pettine (trovato in *C. elegans* in California) è stato identificato come un ceppo di una specie già nota, Lelliottia jeotgali (LUAb3), appartenente alla famiglia delle Enterobacteriaceae. Abbiamo trovato altri ceppi simili di *Lelliottia* in vermi da diverse parti del mondo, suggerendo che sia un colonizzatore abbastanza comune.

È interessante notare che tutti e tre questi batteri, pur essendo stati trovati in specie diverse di *Caenorhabditis*, sono in grado di colonizzare stabilmente il *C. elegans* di laboratorio (il ceppo N2), indicando una scarsa specificità per l’ospite.

Effetti sull’Ospite: Buoni, Cattivi e Neutri

Una volta identificati, la domanda successiva era: che effetto hanno questi batteri sul verme? Abbiamo misurato la loro influenza sulla fitness riproduttiva (durata della vita riproduttiva e numero di figli prodotti) e sull’integrità della barriera intestinale.

I risultati sono stati chiari:

• Ca. L. limosiae (LUAb1) è un patogeno: I vermi colonizzati da LUAb1 vivevano meno e producevano circa il 45% in meno di prole rispetto ai controlli non colonizzati. Inoltre, usando un test chiamato “Smurf” (in cui si somministra un colorante blu ai vermi: se l’intestino è danneggiato, il colorante fuoriesce nel resto del corpo, colorandolo di blu come un Puffo), abbiamo visto che LUAb1 comprometteva la barriera intestinale, rendendola “permeabile”.
• Ca. E. pterelaium (LUAb2) e L. jeotgali (LUAb3) si comportano come commensali: Questi due batteri non sembravano avere effetti negativi significativi sulla durata della vita o sulla dimensione della figliata dei vermi. LUAb3, anzi, ha mostrato un lato benefico: è in grado di sopprimere un difetto genetico presente in alcuni ceppi selvatici di *C. elegans* (chiamato “mortal germline” o Mrt) che porta alla sterilità dopo poche generazioni a temperature elevate (25°C). Questo suggerisce che LUAb3 possa essere vantaggioso in certi contesti ambientali.

Per capire meglio come questi batteri interagissero fisicamente con l’intestino, abbiamo usato la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Le immagini sono state rivelatrici. Nei vermi non colonizzati, l’intestino mostrava delle belle microvillosità lunghe (estroflessioni della membrana cellulare che aumentano la superficie di assorbimento) coperte da uno strato denso agli elettroni, il glicocalice (una sorta di “zucchero protettivo”).
Nei vermi colonizzati da LUAb1, le microvillosità erano drasticamente accorciate, quasi scomparse (un fenomeno chiamato “effacement”), e il lume intestinale era molto dilatato. I batteri erano presenti, alcuni a contatto con ciò che restava del glicocalice.
Nei vermi con LUAb3, invece, le microvillosità erano intatte, simili a quelle dei controlli, anche se il lume appariva leggermente più dilatato per la presenza dei batteri. Anche qui, alcuni batteri erano adiacenti al glicocalice. Queste osservazioni confermano la natura patogena di LUAb1 (che danneggia fisicamente l’intestino) e quella commensale di LUAb3.

Strategie di Colonizzazione: Come si Diffondono nell’Intestino

Una caratteristica fondamentale dei batteri del microbioma è la capacità di replicarsi e persistere nell’ospite. Abbiamo voluto vedere come si comportavano i nostri batteri “attaccanti”. Abbiamo usato un approccio “pulse-chase”: abbiamo esposto brevemente i vermi ai batteri (pulse) e poi li abbiamo spostati su cibo normale (E. coli OP50-1, che non si attacca), seguendo la colonizzazione nel tempo (chase) con le sonde FISH.

Abbiamo scoperto due dinamiche molto diverse:

• L. jeotgali (LUAb3) colonizza simultaneamente: Dopo l’esposizione iniziale, LUAb3 iniziava a comparire un po’ ovunque nell’intestino, e la sua presenza (misurata come intensità di fluorescenza e come numero di cellule batteriche vitali, CFU) aumentava esponenzialmente nelle 48 ore successive, arrivando a circa 57.000 batteri per verme! Al contrario, un parente stretto di LUAb3 presente nel consorzio CeMbio (*Lelliottia amnigena* JUb66a), che non si attacca, non mostrava questo aumento e tendeva a scomparire. La TEM ha anche mostrato LUAb3 in attiva divisione (fissione binaria) sia attaccato al glicocalice sia nel lume, suggerendo che si replichi lì e poi le cellule figlie possano diffondersi.
• Ca. L. limosiae (LUAb1) colonizza in modo direzionale: Sorprendentemente, LUAb1 iniziava la colonizzazione sempre dalla parte anteriore dell’intestino e poi si diffondeva progressivamente verso la parte posteriore nell’arco di 72 ore. La TEM ha mostrato che la divisione cellulare di LUAb1 avveniva più frequentemente nel lume che non quando era attaccato, suggerendo che si replichi nel lume e poi le cellule figlie vadano ad attaccarsi all’epitelio.

Queste differenze evidenziano come batteri diversi, pur usando entrambi l’attaccamento, possano aver evoluto strategie distinte per stabilirsi e proliferare nel loro habitat intestinale. Forse la preferenza di LUAb1 per la zona anteriore è legata a differenze strutturali o di pH lungo l’intestino del verme.

Guerre Intestinali: Competizione e Resistenza

Sappiamo che un microbioma sano può proteggerci dai patogeni. Questo fenomeno, chiamato resistenza alla colonizzazione, avviene anche nei vermi. Ci siamo chiesti: il nostro commensale attaccante (LUAb3) può difendere il verme dall’invasione del patogeno attaccante (LUAb1)?

Abbiamo provato due scenari:

1. Pre-colonizzazione: Abbiamo prima fatto colonizzare i vermi da LUAb3 per 24 ore e poi li abbiamo esposti a LUAb1. Risultato: la presenza di LUAb3 ha fortemente ridotto la capacità di LUAb1 di colonizzare l’intestino, specialmente oltre la metà anteriore. Era come se LUAb3 avesse già occupato i posti migliori!
2. Competizione simultanea: Abbiamo esposto i vermi a LUAb1 e LUAb3 contemporaneamente. In questo caso, entrambi i batteri riuscivano a colonizzare abbastanza bene, e l’effetto protettivo di LUAb3 era molto meno marcato. Circa l’80% dei vermi era colonizzato da LUAb1 oltre la metà dell’intestino dopo 48 ore, un valore quasi 7 volte superiore rispetto allo scenario di pre-colonizzazione.

Questi dati suggeriscono che l’attaccamento è davvero una lotta per lo “spazio vitale” sulla parete intestinale. Chi arriva prima e si attacca, rende difficile l’insediamento per chi arriva dopo.

Un Finale a Sorpresa: Fitness e Complessità

A questo punto, ci aspettavamo che i vermi pre-colonizzati con LUAb3 (e quindi con meno patogeno LUAb1) stessero meglio (in termini di figliata e durata della vita) rispetto a quelli esposti a entrambi i batteri simultaneamente. E invece… sorpresa! In entrambi gli scenari, la fitness riproduttiva dei vermi era ridotta in modo quasi identico rispetto ai controlli non colonizzati.

Come è possibile? Se nel primo caso c’era molto meno patogeno, perché i vermi soffrivano ugualmente? Ci sono due ipotesi principali:

• Mitigazione: Forse la presenza di LUAb3, pur non impedendo del tutto l’infezione da LUAb1, ne mitiga gli effetti più dannosi. Anche una piccola quantità di LUAb1 potrebbe essere sufficiente a ridurre la fitness, ma LUAb3 impedisce che la situazione degeneri ulteriormente.
• Virulenza Nascosta (Criptica): Forse LUAb3, che normalmente è un commensale innocuo, diventa “cattivo” (mostra una virulenza nascosta) quando si trova a competere con un patogeno come LUAb1. La battaglia stessa tra i batteri potrebbe stressare l’ospite o indurre LUAb3 a produrre fattori dannosi. Questo fenomeno di virulenza criptica è stato osservato anche per altri batteri commensali di *C. elegans* in determinate condizioni (es. ospite immunocompromesso).

Questo risultato sottolinea l’incredibile complessità delle interazioni nel microbioma. Anche con solo due specie batteriche, l’esito per l’ospite non è scontato e dipende dal contesto e dalla storia della colonizzazione.

Perché i Vermi? E Cosa Impariamo?

Questo studio sui batteri “attaccanti” in *C. elegans* ci offre uno sguardo privilegiato sulle dinamiche di colonizzazione intestinale. La trasparenza del verme ci permette di vedere *in vivo* dove i batteri si localizzano (biogeografia), come si replicano e come competono tra loro. L’attaccamento all’epitelio si conferma una strategia potente per persistere nell’intestino, probabilmente sfruttando il glicocalice come appiglio e forse anche come fonte di nutrimento.

Abbiamo identificato nuovi attori batterici, tra cui un sorprendente *Rickettsiales* extracellulare, e caratterizzato le loro diverse strategie di colonizzazione e i loro impatti sull’ospite, dal patogenico al commensale/benefico. La competizione tra questi batteri rivela meccanismi di resistenza alla colonizzazione ma anche la possibilità di esiti inaspettati per la salute dell’ospite, evidenziando la natura contesto-dipendente delle interazioni ospite-microbo.

Studiare questi meccanismi in un sistema semplificato come *C. elegans* ci aiuta a porre le basi per comprendere processi simili, ma molto più complessi, che avvengono nel nostro intestino. Capire come i batteri si attaccano, competono e influenzano la nostra salute è fondamentale per sviluppare future strategie per modulare il microbioma a nostro vantaggio. Il piccolo verme *C. elegans* continua a dimostrarsi un gigante nella ricerca biomedica!

Fonte: Springer