I batteri nei polimeri formano cavi che crescono fino a diventare gel viventi

La scoperta potrebbe essere particolarmente importante per lo studio e il trattamento di malattie come la fibrosi cistica, in cui il muco che riveste i polmoni diventa più concentrato, causando spesso infezioni batteriche che si annidano in quel muco fino a diventare pericolose per la vita. Questa scoperta potrebbe anche avere implicazioni negli studi sui conglomerati di batteri che secernono polimeri noti come biofilm – la sostanza appiccicosa scivolosa sulle rocce dei fiumi, per esempio – e nelle applicazioni industriali dove possono causare malfunzionamenti delle apparecchiature e rischi per la salute.

Il lavoro è descritto in un articolo pubblicato il 17 gennaio sulla rivista Progressi della scienza.

“Abbiamo scoperto che quando molti batteri crescono in fluidi contenenti molecole simili a spaghetti chiamate polimeri, come il muco nei polmoni, formano strutture simili a cavi che si intrecciano come gel viventi”, afferma Sujit Datta, professore di ingegneria chimica, bioingegneria e biofisica al Caltech e autore corrispondente del nuovo articolo. “E, cosa interessante, ci sono somiglianze tra la fisica di come si formano queste strutture e la fisica microscopica alla base di molti gel non viventi, come Purell o Jell-O.”

Datta si è recentemente trasferito al Caltech dall’Università di Princeton. Uno dei suoi studenti laureati a Princeton, Sebastian Gonzalez La Corte, è l’autore principale dell’articolo. Lui e Datta erano interessati a come cambia la concentrazione di muco nei polmoni e nell’intestino dei pazienti con fibrosi cistica, nei quali sono presenti più polimeri del solito. Lavorando con campioni di muco forniti dai colleghi del MIT, Gonzalez La Corte è cresciuto Escherichia coli batteri (comunemente usati negli studi di laboratorio) in campioni liquidi regolari e simili alla fibrosi cistica e poi hanno osservato i campioni al microscopio per osservare come crescevano le cellule batteriche in ciascun caso.

Si concentrò sulle cellule che avevano perso la capacità di nuotare, come accade a molti batteri in natura. In circostanze normali, quando una cellula di questo tipo si divide in due, le cellule risultanti si separano e si diffondono allontanandosi l’una dall’altra. Tuttavia, Gonzalez La Corte scoprì che in una soluzione polimerica, le cellule copiate rimanevano attaccate l’una all’altra, da un capo all’altro.

“Mentre le cellule continuano a dividersi e ad attaccarsi l’una all’altra, iniziano a formare queste bellissime strutture lunghe che chiamiamo cavi”, afferma Gonzalez La Corte. “Ad un certo punto, si piegano e si piegano l’uno sull’altro e formano una rete aggrovigliata.”

Il team ha scoperto che i cavi continuano ad allungarsi e a crescere finché le cellule hanno i nutrienti di cui hanno bisogno, creando infine catene lunghe migliaia di cellule.

Esperimenti successivi hanno dimostrato che non sembra avere importanza quali specie batteriche vengono introdotte, né fa la differenza il tipo di soluzione polimerica organica; una volta che una quantità sufficiente di polimero circonda le cellule batteriche, i cavi crescono. I ricercatori hanno riscontrato lo stesso risultato anche con i batteri presenti nei polimeri sintetici.

Sebbene la motivazione iniziale dello studio fosse quella di comprendere meglio la crescita delle infezioni nei pazienti affetti da fibrosi cistica, i risultati sono rilevanti in un’ottica più ampia. Il muco svolge un ruolo importante nel corpo umano, non solo nei polmoni ma anche nell’intestino e nel tratto cervicovaginale. E Datta afferma che il lavoro è importante anche nel contesto dei biofilm, gruppi di batteri che sviluppano una propria matrice polimerica incapsulante. Nel corpo umano sono presenti biofilm, come la placca dentale, ma sono estremamente comuni anche nel suolo e negli ambienti industriali, dove possono danneggiare le apparecchiature e causare rischi per la salute.

“Quella matrice polimerica che hanno secreto è ciò che rende i biofilm così difficili da rimuovere dalle superfici e da trattare con antibiotici”, afferma Datta. “Capire come le cellule crescono in quella matrice potrebbe essere la chiave per scoprire come controllare meglio i biofilm.”

Comprendere la fisica dietro i cavi

Attraverso esperimenti attentamente progettati, il team ha scoperto che la pressione esterna esercitata dai polimeri che circondano le cellule in divisione è ciò che spinge insieme le cellule e le tiene in posizione. In fisica, una tale forza attrattiva che è sotto il controllo di una pressione esterna è chiamata interazione di esaurimento. Gonzalez La Corte ha utilizzato la teoria dell’interazione di esaurimento per creare un modello teorico della crescita dei cavi batterici. Il modello può prevedere quando un cavo sopravviverà e crescerà in un ambiente polimerico.

“Ora possiamo effettivamente utilizzare le teorie consolidate della fisica dei polimeri, che sono state sviluppate per scopi completamente diversi, in questi sistemi biologici per prevedere quantitativamente quando sorgeranno questi cavi”, afferma Datta.

Perché i batteri formano questi cavi?

“Abbiamo scoperto questo fenomeno interessante, insolito e davvero inaspettato”, afferma Datta. “Possiamo anche spiegare perché ciò accade da una prospettiva meccanicistica e fisica. Ora la domanda è: quali sono le implicazioni biologiche?”

È interessante notare che ci sono due possibilità: i batteri potrebbero aggregarsi per formare questa rete di gel vivente nel tentativo di diventare più grandi e quindi più difficile da fagocitare e distruggere per le cellule immunitarie. In alternativa, la formazione di cavi potrebbe effettivamente essere dannosa per i batteri. Dopotutto, le secrezioni dell’ospite fanno sì che i batteri costruiscano i cavi. “Il muco non è statico; ad esempio, nei polmoni, viene costantemente raccolto da piccoli peli sulla superficie dei polmoni e spinto verso l’alto”, dice Datta. “Potrebbe essere che quando i batteri sono tutti raggruppati insieme in questi cavi, sia effettivamente più facile liberarsene, per espellerli dal corpo?”

Per ora, nessuno sa quale sia la possibilità corretta, e Datta dice che è ciò che rende questo progetto interessante. “Ora che abbiamo scoperto questo fenomeno, possiamo formulare queste nuove domande e progettare ulteriori esperimenti per testare i nostri sospetti”, dice.