Ricerche

Un nuovo studio ha rivelato che i batteri modellano il sistema immunitario dei moscerini della frutta, facendo luce sull'evoluzione delle difese dell'ospite contro patogeni specifici e microbi benefici.

Animali e umani coesistono con una vasta gamma di microrganismi, chiamati nell'insieme microbioma (o microbiota), formando una relazione intricata che può variare da reciprocamente vantaggiosa a patogena. Per salvaguardare i patogeni dannosi e mantenere la presenza di microrganismi benefici, gli animali si sono evoluti con varie difese.

Una di queste è formata dai 'peptidi antimicrobici' (AMP, antimicrobial peptides), piccoli organismi che combattono i microbi invasori. Gli AMP sono esecutori immunitari cruciali sia nelle piante che negli animali, combattono contro potenziali infezioni, e influenzano anche la composizione del microbioma dell'ospite.

Anche se studi precedenti hanno dimostrato che gli AMP si evolvono rapidamente, si sapeva poco sulle forze che trainano questa evoluzione. Ad esempio, animali diversi hanno diversi 'repertori' di geni AMP, e mancano di altri presenti altrove. Comprendere la 'logica' evolutiva sottostante è importante non solo come studio ecologico, ma anche per sviluppare strategie innovative per prevenire le infezioni puntando minacce microbiche specifiche.

Ora, uno studio condotto da tre scienziati dell'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha svelato le pressioni selettive che guidano l'evoluzione degli AMP e il modo in cui controllano i batteri nel microbioma dell'ospite. Il lavoro, pubblicato su Science, è stato svolto dal gruppo di Bruno Lemaitre dell'EPFL, guidato da Mark Hanson (ora all'Università di Exeter) e Lena Grollmus.

I ricercatori si sono concentrati sulla diptericina (Dpt), un piccolo peptide antimicrobico che difende principalmente i moscerini dai batteri Gram-negativi, rompendo la loro membrana batterica. Il team ha esaminato nei moscerini della frutta Drosophila come funzionano le diptericine e come si evolvono in risposta al loro ambiente microbico. La squadra ha scoperto che diversi tipi di diptericine, DptA e DptB, hanno ruoli specifici nella difesa dei moscerini da diversi batteri.

Selezionando Drosophila mutanti privi di famiglie specifiche di geni AMP, i ricercatori hanno scoperto che la DptA è efficace contro il Providencia rettgeri, un patogeno naturale dei Drosophila. Nel frattempo, la DptB ha aiutato l'ospite a resistere all'infezione provocata da più specie di Acetobacter, alcune delle quali risiedono nell'intestino dei Drosophila e ne aiutano la fisiologia e lo sviluppo. Al contrario, la DptA non ha avuto alcun ruolo significativo contro l'Acetobacter e la DptB non ha avuto alcun ruolo significativo contro la Providencia.

Analizzando la storia evolutiva dei geni della diptericina, gli scienziati hanno trovato due casi di evoluzione convergente che portano a geni simili a DptB nei moscerini della frutta che si nutrono di frutta, un ambiente associato ad alti livelli di Acetobacter. Ciò suggerisce che la DptB si è evoluta per controllare l'Acetobacter nella Drosophila ancestrale che si nutre di frutta.

Lo studio ha anche scoperto che i moscerini della frutta con diverse nicchie ecologiche, come quelli che si nutrono di funghi o i parassiti vegetali, avevano perso il gene DptB o entrambi i geni DptA e DptB, corrispondenti ad un'assenza di Acetobacter o di Providencia e Acetobacter, rispettivamente.

Nel frattempo, sono state trovate variazioni nelle sequenze di DptA e DptB che prevedevano la resistenza dell'ospite all'infezione da parte di questi batteri in tutto il genere Drosophila. Ciò evidenzia l'adattamento evolutivo del repertorio immunitario del moscerino per combattere microbi specifici prevalenti nei suoi dintorni.

Per convalidare i risultati, i ricercatori hanno infettato varie specie di Drosophila con diverse varianti di geni DptA e DptB. I risultati sono stati sorprendenti: la resistenza dell'ospite all'infezione da parte di P. rettgeri e Acetobacter è stata prevista subito solo dalla presenza e dal polimorfismo dei geni DptA o DptB, anche attraverso specie di moscerini separate da quasi 50 milioni di anni di evoluzione.

Il lavoro fa luce sulle dinamiche che modellano il sistema immunitario dell'ospite e su come le difese dell'ospite si adattano a patogeni specifici per favorire microrganismi benefici. I risultati propongono un nuovo modello di evoluzione del microbioma-AMP, incorporando la duplicazione di geni, la convergenza della sequenza e la perdita genica, tutti guidati dall'ecologia e dal microbioma dell'ospite.

Questo modello spiega perché diverse specie possiedono repertori specifici di AMP, offrendo informazioni su come il sistema immunitario ospite si adatta rapidamente alla suite di microbi associati a una nuova nicchia ecologica.

"Il modo in cui il nostro corpo combatte le infezioni è molto complesso", afferma Mark Hanson. “Ma questo tipo di ricerca ci aiuta a vedere il nostro sistema immunitario sotto una nuova luce. Ci aiuta con domande del tipo 'Perché il nostro sistema immunitario è fatto così?' che ci possono aiutare a capire a combattere le infezioni, comprese quelle che resistono agli antibiotici".