Batterico c

Microbiologia della natura (2023) Citare questo articolo

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La maggior parte dei microbi si evolve più velocemente dei loro ospiti e dovrebbe quindi guidare l’evoluzione delle interazioni ospite-microbo. Tuttavia, si sa relativamente poco sulle caratteristiche che definiscono il percorso di adattamento dei microbi all’associazione dell’ospite. Qui abbiamo identificato i tratti microbici che mediano l’adattamento agli ospiti facendo evolvere sperimentalmente il batterio a vita libera Pseudomonas lurida con il nematode Caenorhabditis elegans come ospite. Dopo dieci passaggi, abbiamo osservato ripetutamente l'evoluzione di batteri benefici specializzati nell'ospite, con una migliore persistenza nel nematode associata ad una maggiore formazione di biofilm. Il sequenziamento dell’intero genoma ha rivelato mutazioni che sovraregolano in modo uniforme il secondo messaggero batterico, il diguanilato ciclico (c-di-GMP). Successivamente abbiamo generato mutanti con c-di-GMP sovraregolato in diversi ceppi e specie di Pseudomonas, che hanno costantemente aumentato l'associazione con l'ospite. Il confronto dei genomi degli pseudomonadi provenienti da vari ambienti ha rivelato che c-di-GMP è alla base dell'adattamento a una varietà di ospiti, dalle piante agli esseri umani. Questo studio indica che c-di-GMP è fondamentale per stabilire l'associazione dell'ospite.

I microrganismi associati all'ospite hanno effetti importanti sul funzionamento fisiologico e sulla forma fisica dei loro ospiti vegetali e animali1,2,3. Queste interazioni ospite-microbiota sono spesso studiate utilizzando una visione incentrata sull’ospite, con particolare attenzione alle funzioni dell’ospite mediate dal microbiota. Questa visione trascura il fatto importante che la maggior parte dei microbi si evolve più velocemente dei loro ospiti a causa dei tempi di generazione più brevi e dei tassi di mutazione più elevati, e quindi che i miglioramenti della forma fisica dei microbi possono guidare le associazioni in modo sproporzionato4. Un passo importante nell'evoluzione di un'associazione ospite-microbo è l'emergere di un'interazione più specializzata che consente ai batteri a vita libera di entrare in modo affidabile nell'ospite, persistere e infine essere rilasciati nell'ambiente per colonizzare nuovi ospiti (Fig. 1a)4 . Finora si sa poco sui tratti e sui processi molecolari che determinano il modo in cui i batteri si adattano a tale associazione con l’ospite.

a, i microbi associati all'ospite passano da una fase di vita libera all'associazione dell'ospite, quest'ultima comprendente l'ingresso, la persistenza e il rilascio dell'ospite. Sei popolazioni di P. lurida sono state fatte passare dieci volte attraverso queste fasi con l'ospite C. elegans (EVOhost) o senza l'ospite come controllo (EVOctrl). b, Le popolazioni batteriche adattate all'ospite hanno aumentato significativamente la forma fisica (data come cfus per verme) rispetto all'antenato (t-test bilaterali e confronti post hoc di Tukey corretti da FDR, 6 repliche per trattamento). c, I batteri evoluti rimangono benefici per l'ospite, determinato dalla crescita della popolazione di nematodi (t-test bilaterale, 6 repliche per trattamento). d, Un morfotipo di colonia rugosa è emerso solo durante l'adattamento dell'ospite e domina all'interno dei vermi (confronto dell'abbondanza di morfotipo all'interno dei trattamenti: modelli lineari generalizzati e test post hoc di Tukey corretto da FDR, 6 repliche per trattamento). e, Batteri evoluti specializzati nell'ospite (contrassegnati con il dTomato rosso fluorescente) colonizzano l'intestino del verme (vescicole autofluorescenti nelle cellule intestinali dei nematodi in ciano). Barra della scala, 10 µm. f, PCA dei tratti chiave del ciclo di vita associato all'ospite (in a) rivela un profilo distinto per gli specialisti dell'ospite rugoso evoluti rispetto ai batteri ancestrali (vedere la Tabella supplementare 5 per le misurazioni dei tratti individuali). b-d, i boxplot mostrano la mediana (linea centrale), i quartili superiori e inferiori (limiti del riquadro) e l'intervallo interquartile (baffi).

Abbiamo studiato la transizione evolutiva dalla vita libera all'associazione ospite attraverso un'evoluzione sperimentale controllata, utilizzando il batterio Pseudomonas lurida e l'ospite nematode Caenorhabditis elegans come modello. Questo batterio si trova occasionalmente nel microbiota naturale di C. elegans5,6. In condizioni di laboratorio, la presenza di P. lurida è associata ad un aumento dei tassi di crescita della popolazione di C. elegans e può fornire protezione contro gli agenti patogeni, tuttavia sia l'ospite che il batterio possono proliferare l'uno senza l'altro e quindi non dipendono l'uno dall'altro5,7,8 . Per selezionare batteri adattati all'ospite, abbiamo passato in serie 6 popolazioni di P. lurida con o senza una fase associata all'ospite (Fig. 1a; EVOhost o EVOctrl, rispettivamente). Tutte le popolazioni sono state inoculate dallo stesso antenato clonale. Dopo 10 passaggi attraverso gli ospiti, i batteri hanno raggiunto in media una carica batterica nell'ospite 5-10 volte superiore rispetto al loro antenato, un cambiamento significativo non osservato per il controllo che si è evoluto senza esposizione agli ospiti ma per il resto aveva condizioni identiche (Fig. 1b e Esteso Dati Fig. 1). L'aumento dell'idoneità batterica non ha comportato un costo per l'ospite, poiché la crescita della popolazione dei nematodi (utilizzata come indicatore dell'idoneità dei nematodi5) non è cambiata in modo significativo, ma piuttosto è aumentata in presenza dei batteri adattati (Fig. 1c).