La competizione è da sempre alla base della sopravvivenza. Lo sanno bene i batteri. Ma quali sono i meccanismi che la regolano e le sue caratteristiche? Pamela Shen, della New York University School of Medicine, negli Stati Uniti, ha coordinato una ricerca, pubblicata su Nature Microbiology, che ha esaminato nello specifico il comportamento di S. pneumoniae (il comune pneumococco), uno dei patogeni opportunisti che maggiormente colonizza il tratto nasofaringeo durante l’infanzia.

Nonostante questo agente patogeno sia caratterizzato da alta trasmissibilità, di fatto la colonizzazione, considerando anche ceppi diversi tra loro, è risultata minore delle aspettative. Da qui è nata l’idea di una competizione asimmetrica tra ceppi della stessa specie.

I ricercatori hanno perciò esaminato il comportamento di un ceppo di S. pneumoniae residente vs un altro isogenico (stessa composizione genetica) esterno in modelli murini nati da pochi giorni. Per rendere distinguibili i due ceppi, altrimenti sperimentalmente identici, sono stati inseriti differenti marcatori di antibiotico resistenza prima dell’inoculazione. Volendo poi rendere trasferibili i risultati ottenuti a tutti gli altri possibili patogeni, è stato prodotto e validato un opportuno modello matematico.

Ceppo residente vs nuovo arrivato: chi vince?

Dopo aver inoculato, a tre giorni di distanza, i due ceppi di S. pneumoniae, si è osservato che:

• la suscettibilità murina alla colonizzazione è in generale elevata
• la colonizzazione massima del primo ceppo di S. pneumoniae (che diventerà dunque il residente) si è registrata con la somministrazione di solo 10 CFU
• il processo di colonizzazione del secondo ceppo è stato inibito a parità di somministrazione, e parzialmente ripreso, invece, aumentando la sua concentrazione. La densità del residente, d’altra parte,  non è risultata influenzata

Variando le tempistiche di inoculazione, è emerso che il ceppo residente è in grado di inibire completamente la colonizzazione del nuovo arrivato, se introdotto nell’ospite 6 ore prima, capacità questa che non viene mantenuta con finestre di tempo più ravvicinate.

La competizione è perciò stata definita asimmetrica considerando come il primo ceppo colonizzante escluda automaticamente il secondo, nonostante l’analogia genetica.

Come il “vecchio” vince sul “nuovo”

I ricercatori hanno successivamente verificato se il ceppo residente agisca direttamente sul nuovo arrivato o se l’inibizione di quest’ultimo sia la conseguenza di un cambiamento del microambiente messo in atto dal primo.

Sembrerebbe più probabile la prima ipotesi, ossia un’azione diretta. Infatti:

• la somministrazione di un primo ceppo neutralizzato (heat-killed) e la sua eliminazione con streptomicina hanno permesso la colonizzazione da parte del secondo (con marker resistente a streptomicina), inoculato a 6 ore di distanza
• di contro, trattando con streptomicina modelli con ceppi streptomicina-resistenti, la colonizzazione da parte del nuovo ceppo non è avvenuta
• il trattamento con streptomicina non ha influenzato i livelli di citochine espressi a tre giorni dalla colonizzazione sia da parte dal ceppo attivo sia da parte di quello neutralizzato

Una volta determinata l’azione diretta, si è valutato il razionale. Competizione per lo spazio? tempo-dipendente? densità-dipendente?

Il “quorum sensing” (QS) è un meccanismo che molte cellule batteriche della stessa specie utilizzano per comunicare tra di loro. Si basa su un sistema di regolazione trascrizionale dipendente dalla densità cellulare. S. pneumoniae, nello specifico, possiede due di questi meccanismi ossia il Blp (bacteriocon-like peptides) e l’unità genetica Com regulon.

Focalizzandosi su questi processi si è scoperto che:

• Modificando il primo ceppo (il residente) per non esprimere Blp, la colonizzazione del secondo non avviene
• Inibendo invece ComE, il principale regolatore dell’unità genetica, la colonizzazione del nuovo ceppo avviene sia dopo 6 ore sia a tre giorni sebbene ne sia richiesta una concentrazione maggiore

Studi di letteratura riportano come le idrolasi murine CbpD e CibAB siano sovra-regolate dal peptide CSP (pheromone competence-stimulating) in maniera ComE dipendente. Sono inoltre coinvolte nel processo di “fratricidio” cellulare in vitro, ossia nell’eliminazione di ceppi “non-abili”.
Sulla base di ciò, i ricercatori hanno messo a punto ceppi residenti mutati per cbpD e cibAB al fine di valutare la loro capacità di escludere la colonizzazione di un ceppo isogenico esterno wild-type.
La presenza di una singola mutazione non ha dato effetti sulla colonizzazione da parte del wild-type, inibita al contrario dalla loro combinazione.

L’attenzione si è quindi spostata sul ruolo di questi mediatori e/o regolatori genici.
Essendo isogenico, anche il secondo ceppo esprime il Com regulon. Potrebbe, una volta attivato, proteggerlo dall’attacco del residente? Tecnicamente sì e tutto il processo sembrerebbe essere veicolato da fattori immunitari. Tuttavia, essendo l’attivazione del Com regulon dipendente dalla densità cellulare, il secondo ceppo non raggiunge in tempo il livello di proliferazione minimo per farlo, soccombendo così al ceppo residente.
È stato inoltre dimostrato come il ruolo del QS nella competizione batterica si mantenga in caso di trasmissione inter-individuale.
Infine, anche i geni coinvolti della competizione Com regulon dipendente hanno presentato alta conservazione nei ceppi di S. pneumoniae suggerendo la possibilità di generalizzare il meccanismo a tutti i patogeni.

Lo studio si è quindi concluso con la messa a punto e la validazione di un modello matematico avente lo scopo di descrivere e confermare il rapporto di competizione asimmetrica tra due ceppi isogenici qui dimostrato, residente vs nuovo arrivato, a prescindere da S. pneumoniae.