I cambiamenti nelle interazioni su scale temporali ecologiche influenzano il singolo

Jan 26, 2024

The ISME Journal volume 17, pagine 406–416 (2023)Citare questo articolo

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Le comunità microbiche prosperano in quasi tutti gli habitat della terra. All'interno di queste comunità, le cellule interagiscono attraverso il rilascio e l'assorbimento di metaboliti. Queste interazioni possono avere effetti sinergici o antagonisti sui singoli membri della comunità. L’attività metabolica collettiva delle comunità microbiche porta a cambiamenti nel loro ambiente locale. Man mano che l’ambiente cambia nel tempo, la natura delle interazioni tra le cellule può cambiare. Al momento non comprendiamo come tali feedback dinamici influenzino le dinamiche di crescita dei singoli microbi e della comunità nel suo insieme. Qui studiamo come le interazioni mediate dallo scambio di metaboliti attraverso l'ambiente cambiano nel tempo all'interno di una semplice comunità microbica marina. Abbiamo utilizzato un approccio basato sulla microfluidica che ci consente di distinguere gli effetti che le cellule hanno sul loro ambiente dal modo in cui rispondono al loro ambiente. Abbiamo scoperto che le interazioni tra due specie – un degradatore della chitina e un alimentatore incrociato che consuma sottoprodotti metabolici – cambiano dinamicamente nel tempo man mano che le cellule modificano il loro ambiente. Le cellule inizialmente interagiscono positivamente e poi iniziano a competere nelle fasi successive della crescita. I nostri risultati dimostrano che le interazioni tra i microrganismi non sono statiche e dipendono dallo stato dell’ambiente, sottolineando l’importanza di districare il modo in cui le modifiche dell’ambiente influenzano le interazioni tra le specie. Questo approccio sperimentale può gettare nuova luce su come le interazioni tra le specie si estendono fino ai processi a livello di comunità negli ambienti naturali.

I microrganismi contribuiscono al ciclo globale degli elementi, alla salute dell’ospite e a molti processi industriali. Tuttavia, attualmente disponiamo di una conoscenza quantitativa degli esatti meccanismi di come le interazioni interspecie modulano la crescita dei singoli membri della comunità e di come la crescita dei singoli membri della comunità si ingrandisce fino a determinare l’attività e la crescita della comunità [1]. Tale intuizione ci consentirebbe di comprendere meglio come le attività osservate a livello delle comunità microbiche emergano da processi a livelli inferiori di organizzazione.

Le specie nei consorzi microbici svolgono funzioni metaboliche collettivamente: i processi catabolici sono spesso distribuiti tra specie diverse che interagiscono attraverso lo scambio di metaboliti intermedi attraverso l'ambiente [2]. Questo metabolismo distribuito è particolarmente comune per i substrati complessi la cui degradazione coinvolge diverse reazioni enzimatiche [3]. Negli ambienti naturali una delle principali risorse per le comunità microbiche sono i polimeri naturali, come la cellulosa e la chitina [4]. Questi polimeri sono componenti strutturali di organismi multicellulari (cellulosa nelle piante e chitina negli artropodi) e vengono rilasciati nell'ambiente alla morte di questi organismi. Su questi polimeri si forma tipicamente una comunità complessa di specie interagenti [5]. Batteri specializzati scindono i polimeri tramite enzimi extracellulari in subunità accessibili, cioè mono- o oligomeri di zucchero che sono sufficientemente piccoli da essere importati nella cellula [6]. Questo processo costituisce le basi di una cascata trofica che porta all'eventuale rimineralizzazione dei polimeri naturali. Alcune cellule batteriche senza la capacità di degradare i polimeri sono in grado di assorbire i prodotti di degradazione dall'ambiente circostante [7]. Questi cosiddetti consumatori beneficiano quindi direttamente della presenza dei degradatori. Altre specie microbiche prive degli enzimi necessari per la degradazione dei polimeri non sono inoltre in grado di catabolizzare i prodotti di degradazione scissi; fanno affidamento sui sottoprodotti metabolici escreti come substrati di crescita [8]. Questo processo è chiamato alimentazione incrociata.

L'alimentazione incrociata, o sintrofia, è un'interazione in cui un organismo utilizza i sottoprodotti di un altro organismo come risorsa [9, 10]. È opinione diffusa che l’alimentazione incrociata sia alla base di molte relazioni mutualistiche tra microbi, fornendo una forza trainante per il mantenimento della diversità nelle comunità microbiche [11,12,13]. L'alimentazione incrociata può anche essere utile per la specie che espelle i sottoprodotti [14]. In primo luogo, la rimozione del prodotto delle reazioni biochimiche aumenta la velocità di reazione secondo il "principio di Le Chatelier" [15]. In secondo luogo, l’alimentazione incrociata può consentire la rimozione di sottoprodotti metabolici tossici che inibiscono la crescita dei loro produttori [16, 17].