I batteri costituiscono più del 10% di tutti gli esseri viventi, ma fino a poco tempo fa non ci rendevamo conto che, come negli esseri umani, i batteri del suolo hanno orologi interni che sincronizzano le loro attività con i cicli di 24 ore del giorno e della notte sulla Terra.
Una nuova ricerca mostra quanto siano complessi e sofisticati questi orologi circadiani batterici, aprendo la strada a una nuova entusiasmante fase di studio. Questo lavoro offrirà diverse opportunità, dalla tempistica precisa dell’uso di antibiotici, alla bioingegneria più intelligente dell’intestino e dei microbiomi del suolo.
Una collaborazione internazionale della Ludwig Maximillian University Munich (LMU Munich), The John Innes Centre, The Technical University of Denmark e Leiden University, ha fatto la scoperta sondando l’espressione genica come prova dell’attività dell’orologio nel diffuso batterio del suolo Bacillus subtilis.
L’autrice principale, la dott.ssa Francesca Sartor (LMU Monaco), riferisce: “L’orologio circadiano in questo microbo è pervasivo: lo vediamo regolare diversi geni e una serie di comportamenti diversi”.
Il professor Antony Dodd del John Innes Center ha aggiunto: “È sorprendente che un organismo unicellulare con un genoma così piccolo abbia un orologio circadiano con alcune proprietà che evocano orologi in organismi più complessi”.
Il lavoro precedente di questo team collaborativo aveva dimostrato l’esistenza di un orologio circadiano in un ceppo derivato dal laboratorio di questo batterio. Questa è stata la prima volta che gli orologi circadiani sono stati osservati nel batterio Bacillus subtilis. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica che inserisce un enzima chiamato luciferasi che produce luce quando viene espresso un gene. Questa bioluminescenza ha guidato il team nel monitoraggio dell’orologio batterico al variare delle condizioni.
L’autrice senior della pubblicazione, la professoressa Martha Merrow della LMU di Monaco, ha dichiarato: “Questo studio mostra che gli orologi circadiani sono ampiamente presenti in Bacillus subtilis. Potremmo capitalizzare la conoscenza dell’orologio per migliorare i risultati sulla salute e aumentare la sostenibilità della produzione alimentare o della biotecnologia”.
Questo nuovo studio è un significativo passo avanti per molteplici ragioni. Rivela che questi orologi esistono in ceppi raccolti da ambienti naturali, quindi potrebbero essere diffusi in questo batterio. Inoltre, B. subtilis continua a mostrare ritmi circadiani sia in costante oscurità che in costante luce, e i ricercatori rivelano esempi di risposte sfumate trovate negli orologi circadiani di molti altri organismi. Nel campo della biologia circadiana, queste risposte sono note come “effetti postumi” e “regola di Aschoff”. Presi insieme, questo suggerisce che, come negli organismi più complessi, i batteri possono sincronizzare la loro fisiologia e il loro metabolismo in diversi momenti della giornata al variare delle condizioni di luce e temperatura.
La scoperta offre opportunità per la biotecnologia, la salute umana e la scienza delle piante. La comprensione delle proprietà degli orologi circadiani batterici può aiutarci con le applicazioni industriali della microbiologia; potrebbe portare a una nuova comprensione di come si formano i microbiomi e potrebbe indicare quanto bene gli antibiotici funzionano in determinati momenti della giornata per distruggere i batteri patogeni. La conoscenza può anche aiutarci nella protezione delle colture. Bacillus subtilis è un benefico batterio del suolo utilizzato dagli agricoltori per favorire lo scambio di nutrienti, lo sviluppo delle piante e la difesa contro i microbi patogeni.
La squadra si sta sviluppando Bacillus subtilis come organismo modello per lo studio degli orologi circadiani nei batteri. Uno dei prossimi passi è capire quali geni stanno operando per costituire il meccanismo dell’orologio. Il team è anche curioso di sapere come B. subtilis l’orologio circadiano dipende dall’organizzazione multicellulare per la sua piena funzionalità.
Gli orologi circadiani sono oscillatori interni che offrono un vantaggio selettivo agli organismi adattando la loro fisiologia e metabolismo ai cambiamenti dell’ambiente di 24 ore, come i cambiamenti di luce, temperatura o comportamento dei predatori. Danno origine agli effetti stridenti del jet lag, quando passiamo in diversi fusi orari.
Il professor Ákos T. Kovács, dell’Università di Leida e dell’Università tecnica della Danimarca, ha dichiarato: “Il biologo francese Jacques Monod una volta disse notoriamente: ‘Ciò che è vero per Escherichia coli è vero per l’elefante.’ All’epoca si riferiva alle regole universali della biologia molecolare, del DNA e delle proteine. Allo stesso modo, è sorprendente che l’orologio circadiano entri Bacillus subtilis– un batterio con solo quattromila geni – ha un complesso sistema circadiano che ricorda gli orologi circadiani di organismi complessi come mosche, mammiferi e piante”.
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