• Il microbiota del rumine
• Le proteine del genoma batterico nel rumine
• Il gene sintasi LuxS nel trascrittoma del rumine
• Conclusioni

Stato dell’arte
All’interno del rumine abitano una miriade di microbi, il cui ruolo primario è degradare e fermentare le sostanze nutritive assunte con la dieta, per provvedere al fabbisogno energetico dell’ospite. Il quorum sensing (QS) è un sistema di regolazione trascrizionale che dipende dalla densità cellulare: questo meccanismo è utilizzato da molte cellule batteriche della stessa specie per comunicare tra di loro. I microrganismi che comunicano mediante il QS digeriscono il materiale vegetale e producono un biofilm, composto da omoserina lattone acilato (AHL) nel caso di batteri Gram negativi o da un oligopeptide chiamato Al-2 nel caso siano presenti sia Gram positivi sia Gram negativi.

Cosa aggiunge questa ricerca
Questo studio evidenzia le basi genetiche del QS mediante studi in vitro al fine di far emergere tutti i geni e le proteine coinvolti. Con il rilascio della Hungate collection, i genomi batterici del rumine sono stati resi noti: questa collezione comprende 501 genomi e rappresenta il traguardo più grande nella comprensione del microbioma di questo organo.

Conclusioni
Con questo studio gli autori hanno dimostrato che il sistema di comunicazione QS basato sull’espressione del gene Al-2 è molto diffuso nello stomaco dei ruminanti. Inoltre, all’interno del rumine il batterio che più esprime le proteine di questo sistema è Prevotella. I risultati ottenuti hanno permesso di capire come le piante e i batteri interagiscono tra loro.

La ricerca condotta da un gruppo di ricercatori guidato da Mi-Young Won dell’Institute of Biological, Environmental and Rural Sciences (IBERS) di Aberystwyth, nel Regno Unito, e pubblicata di recente su Microbiome, è uno degli studi che esamina in maniera più completa il sistema di comunicazione Quorum Sensing (QS) all’interno del microbiota del rumine. Gli autori hanno indagato le interazioni tra vegetali e microrganismi in questo organo mediante l’analisi del trascrittoma al fine di scoprire se i geni, e quindi le proteine, del sistema di comunicazione cellulare batterico sono espressi anche nel rumine.

Il microbiota del rumine

Il microbiota del rumine è una comunità complessa e altamente specializzata composta da batteri, protozoi, funghi e virus. Il suo studio è stato possibile grazie ai recenti traguardi raggiunti dalle nuove tecnologie omiche.

Le informazioni oggi a disposizione a proposito della comunicazione cellulare sono state ottenute grazie a studi condotti su colture cellulari di microbi che non abitano nel rumine (per esempio Vibrio harveyi, Escherichia coli ecc.): questi batteri Gram-negativi di solito usano il QS basato sull’omoserina lattone acilato (AHLs) per comunicare, mentre i Gram-positivi utilizzano il sistema basato su Al-2. I composti chimici che “accendono” in maniera automatica il QS si legano a specifici recettori provocando cambiamenti sia del genotipo sia del fenotipo dei batteri.

Le proteine del genoma batterico nel rumine

Le proteine LuxS, che regolano la produzione del sistema-segnale Al-2 e del relativo recettore LuxR, sono altamente rappresentate nelle specie batteriche sia Gram-positive sia Gram-negative. Dalle analisi dei genomi sono emerse 171 proteine LuxS e 21 LuxR. Il gene AHL, che codifica per una sintasi, è invece presente all’interno di un solo batterio Gram-negativo, il Citrobacter sp. NLAE-zl-C269, che possiede anche le proteine Lux. Questo batterio è quindi in grado di utilizzare entrambi i sistemi di comunicazione.

Dall’analisi dell’albero filogenetico di tutte le 171 specie analizzate, sono poi emerse numerose similarità: le proteine LuxS provenienti dai batteri dello stesso rumine generalmente “clusterizzano” e mostrano elevata similarità se confrontati con Vibrio harveyi e Streptococcus pneumoniae. Questo dato suggerisce che i geni LuxS nello stomaco sembrano essere altamente conservati all’interno di ciascun genere, ma non sono correlati ai geni LuxS di organismi non ruminanti.

Inoltre, da quest’analisi è emerso che le proteine LuxS hanno numerosi aplotipi nel rumine; questo dato è indicativo dell’importanza di questo sistema di comunicazione nell’ecosistema.

Il gene sintasi LuxS nel trascrittoma del rumine

Allo scopo di verificare se e quanto i geni LuxS identificati nella collezione Hungate siano realmente espressi in quest’organo, gli autori dello studio hanno analizzato la loro espressione all’interno di uno dei più grandi dataset trascrittomici disponibile del rumine. Sono stati ritrovati 97 geni e, tra questi, il batterio Prevotella spp. (in particolare il TC-24) è quello che più esprime la proteina LuxS. Dopo questo batterio, si collocano: Ruminococcaceae bacterium P7, Clostridiales bacterium NK3B98, Prevotellaceae bacterium HUN156 e MN60, Oribacterium sp.P6A1 e Butyrivibrio sp. VCB2001.

Per facilitare l’analisi e la corretta visualizzazione dei dati, i genomi batterici sono stati classificati in base sia alle informazioni tassonomiche sia al fenotipo derivante dalla colorazione Gram. Da un totale di 448 specie batteriche registrate all’interno della collezione Hungate e del Genbank, 311 specie sono risultate Gram-positive e 136 Gram-negative. Il gene della sintasi AHL è stato ritrovato all’interno del genoma di una sola specie, il Gram-positivo Citrobacter spp.; questo batterio, infatti, possiede la capacità di idrolizzare la cellulosa e produrre un tipo speciale di oligosaccaride AHL (il 3-idrossile). Inoltre, questo batterio possiede anche il sistema Al-2.

In base ai risultati ottenuti, gli autori dello studio hanno quindi concluso che:

  • i genomi di Butyrivibrio, Prevotella, Ruminococcus e Pseudobutyrivibrio rappresentano i generi batterici del rumine più abbondanti e in grado di utilizzare il QS basato su Al-2
  • il sistema di comunicazione QS è ubiquitario all’interno del rumine
  • i batteri che esprimono le proteine LuxS sono quelli più abbondanti in quest’organo, e di conseguenza il sistema di comunicazione basato su Al-2 è quello preponderante nel rumine; per questo, è necessario definire anche il suo ruolo nella degradazione del materiale vegetale e nel rendere disponibili le sostanze nutritive per l’ospite
  • il batterio Prevotella sembra avere il ruolo più importante nella comunicazione Al-2 all’interno dello stomaco.

Conclusioni

In conclusione, sono ancora tanti i batteri del rumine che dovranno essere identificati, cresciuti in coltura e sequenziati, per poterne definire il potenziale coinvolgimento nel QS all’interno dello stomaco. Inoltre, sarà necessario stabilire quale sia il contributo di altri organismi come funghi e protozoi. Per questo motivo, secondo gli autori dello studio sarà importante migliorare la conoscenza di entrambi i sistemi di comunicazione AHL e AL-2. In particolare, attraverso saggi di bioluminescenza in vitro si riuscirà a rilevare l’attività del gene LuxS, richiesta in questi generi batterici per l’espressione del microbioma dello stomaco.

FONTEMicrobiome
Laureata in Biotecnologie per l‘Industria e per l’Ambiente, diventa nel 2009 PhD in Scienze Genetiche e Biomolecolari all’Università di Milano. Si è occupata di regolazione della trascrizione genica e di epigenetica. Ora si occupa di oncologia.