I “cavi” batterici formano un gel vivente nel muco

Rivelando questa morfologia precedentemente sconosciuta delle colonie batteriche nel muco concentrato, la scoperta potrebbe aiutare a informare i modi per trattare le infezioni batteriche nei pazienti con fibrosi cistica, in cui il muco che riveste i polmoni e l’intestino diventa più concentrato, spesso causando le infezioni batteriche che prendono piede in quel muco per diventare pericolose per la vita.

 

 

 

Le cellule batteriche in soluzioni di polimeri come il muco crescono in lunghe strutture simili a cavi che si piegano e si attorcigliano l’una sull’altra, formando un “gel vivente” fatto di cellule intrecciate.

Questo comportamento è molto diverso da quello che accade nei liquidi privi di polimeri e i ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) e dell’Università di Princeton, entrambi negli Stati Uniti, affermano che la comprensione potrebbe portare a nuovi trattamenti per le infezioni batteriche nei pazienti con fibrosi cistica.

Potrebbe anche aiutare gli scienziati a capire come le cellule si organizzano in conglomerati di batteri che secernono polimeri chiamati biofilm che possono sporcare le apparecchiature mediche e industriali.

Le interazioni tra batteri e polimeri sono onnipresenti in natura.

Ad esempio, molti batteri vivono come colonie multicellulari in fluidi polimerici, tra cui il muco secreto dall’ospite, gli esopolimeri nell’oceano e la sostanza polimerica extracellulare che incapsula i biofilm.

Spesso, queste colonie in crescita possono diventare infettive, anche nei pazienti con fibrosi cistica, il cui muco è più concentrato di quanto non lo sia negli individui sani.

Gli studi di laboratorio sui batteri, tuttavia, si concentrano in genere sulle cellule in fluidi privi di polimeri, spiega il leader dello studio Sujit Datta, biofisico e bioingegnere del Caltech. “Ci siamo chiesti se le interazioni con i polimeri extracellulari influenzano la proliferazione delle colonie batteriche”, dice Datta, “e se sì, come?”

Osservare i batteri crescere nel muco

Nel loro lavoro, che è dettagliato in Science Advances, il team del Caltech/Princeton ha utilizzato un microscopio confocale per monitorare come diverse specie di batteri sono cresciute in campioni purificati di muco.

I campioni, spiega Dutta, sono stati forniti dai colleghi del Massachusetts Institute of Technology e dell’Albert Einstein College of Medicine.

Normalmente, quando le cellule batteriche si dividono, le cellule “figlie” risultanti si diffondono lontano l’una dall’altra.

Tuttavia, nelle soluzioni polimeriche di muco, Datta e colleghi hanno osservato che le cellule sono rimaste incollate insieme e hanno iniziato a formare lunghe strutture simili a cavi.

Questi cavi possono contenere migliaia di celle e alla fine iniziano a piegarsi e piegarsi l’uno sull’altro per formare una rete aggrovigliata.

“Abbiamo scoperto che potevamo prevedere quantitativamente le condizioni in cui tali cavi si formano utilizzando concetti della fisica della materia morbida tipicamente impiegati per descrivere i gel non viventi”, dice Datta.

Supporto per colonie batteriche

Il lavoro del team rivela che i polimeri, lungi dall’essere un mezzo passivo, svolgono un ruolo fondamentale nel sostenere la vita batterica modellando il modo in cui le cellule crescono nelle colonie.

La forma di queste colonie, la loro morfologia, è nota per influenzare le interazioni cellula-cellula ed è importante per mantenere la loro diversità genetica. Aiuta anche a determinare la resilienza di una colonia ai fattori di stress esterni.

“Rivelando questa morfologia precedentemente sconosciuta delle colonie batteriche nel muco concentrato, la nostra scoperta potrebbe aiutare a informare i modi per trattare le infezioni batteriche nei pazienti con fibrosi cistica, in cui il muco che riveste i polmoni e l’intestino diventa più concentrato, spesso causando le infezioni batteriche che prendono piede in quel muco per diventare pericolose per la vita”.

Amico o nemico?

Per quanto riguarda il motivo per cui la formazione dei cavi è importante, Datta spiega che ci sono due scuole di pensiero. Il primo è che formando cavi di grandi dimensioni, i batteri possono diventare più resistenti contro il sistema immunitario del corpo, rendendoli più infettivi.

L’altra possibilità è che sia vero il contrario: la formazione di cavi potrebbe in realtà lasciare i batteri più esposti ai meccanismi di difesa dell’ospite.

Questi includono la “clearance mucociliare”, che è il processo mediante il quale minuscoli peli sulla superficie dei polmoni spazzano costantemente il muco e lo spingono verso l’alto.

“Potrebbe essere che quando i batteri sono tutti raggruppati insieme in questi cavi, sia in realtà più facile sbarazzarsene espellendoli dal corpo?” Chiede Dutta.

Indagare su queste ipotesi è una strada per la ricerca futura, aggiunge.

“La nostra è una scoperta fondamentale su come i batteri crescono in ambienti complessi, più simili ai loro habitat naturali”, afferma Datta. “Ci aspettiamo anche che motiverà ulteriori lavori per esplorare come la formazione dei cavi influenza i modi in cui i batteri interagiscono con ospiti, fagi, nutrienti e antibiotici”.

 

Immagine: Sebastian Gonzalez La Corte et al./Princeton University/Caltech