Indagare la comunità microbica nel hindgut Termite - Intervista

Pertanto, i termiti e i microrganismi presenti nel loro intestino rappresentano un esempio di simbiosi mutualistica estremamente affascinante e complessa. Sono interessato allo studio dei termiti e di questi microrganismi per comprendere meglio i diversi ruoli svolti dalle varie componenti nel degradare una fonte alimentare molto complessa, la lignocellulosa, in prodotti utilizzabili sia dall'insetto che dai microrganismi. Sono Jared Ledbetter.

Sono professore associato di microbiologia ambientale presso il California Institute of Technology e partecipo al nostro programma di scienze ambientali e ingegneria. Sono al Caltech da sei anni e mezzo, ma negli ultimi 17 anni i miei principali interessi di ricerca si sono concentrati sullo studio delle comunità microbiche che risiedono nell'intestino posteriore di diversi termiti. Da quando ho incontrato per la prima volta la microbiologia dell'intestino dei termiti come studente nel corso estivo sulla diversità microbica, tenuto a Woods Hole, nel Massachusetts, ho sviluppato un grande interesse per l'identità e la funzione delle varie specie microbiche che vivono nell'intestino posteriore dei termiti.

Le comunità intestinali dei termiti sono costituite da circa 250 specie microbiche distinte, appartenenti ai tre domini della vita. È possibile identificare archea metagenica, cellulosa anaerobica, protozoi decompositori, ovvero eucarioti unicellulari, e una grande varietà di batteri, tra cui numerose, numerose, numerose specie nuove appartenenti a un gruppo di batteri chiamati spirochete. Sebbene circa 250 specie diverse vivano nei termiti e non siano presenti in nessun altro luogo in natura, anche dopo circa cento anni di studio, abbiamo una comprensione molto limitata della funzione di ciascuno di questi diversi microrganismi, nel complesso una simbiosi mutualistica estremamente affascinante che si instaura tra l'insetto ospite e la comunità microbica, la quale nel suo insieme degrada la cellulosa in prodotti che sostanzialmente alimentano il metabolismo sia dell'insetto ospite sia di questi vari microrganismi.

Negli ultimi 16, 17 anni, sono stato molto interessato a identificare quali siano queste specie e cosa facciano. In che modo queste specie interagiscono tra loro nell'intestino posteriore e quale beneficio apportano all'ospite? I termiti e i microrganismi presenti nel loro intestino rappresentano quindi un esempio di simbiosi mutualistica estremamente affascinante e complessa.

Pertanto, sono interessato a studiare le termiti e questi microrganismi al fine di comprendere meglio tutti i diversi ruoli e le funzioni svolte dai vari componenti nel degradare una fonte alimentare molto complessa, la lignocellulosa, in prodotti utilizzabili sia dall'insetto che dai microrganismi. Un altro motivo per cui è importante studiare le termiti e i microrganismi intestinali è che le termiti costituiscono a livello globale un gruppo animale di grande rilevanza, che svolge ruoli fondamentali e cruciali nei cicli globali del carbonio e dell'azoto; nelle regioni tropicali e subtropicali, le termiti sono estremamente diverse, ovvero esistono numerose specie differenti, e sono anche molto abbondanti.

E come esempio del successo di questi insetti, si possono considerare piccole ma significative fonti di anidride carbonica globale e di metano globale. Per la quantità di legno che trasformano in questi prodotti, le termiti contribuiscono a circa il 2% dell’anidride carbonica globale e a circa il 4% del metano globale, una percentuale effettivamente notevole per un singolo gruppo animale. Pertanto, studiando i microrganismi e le loro attività in questi insetti, comprendiamo meglio questi organismi e le basi del loro successo a livello globale.

Lo studio delle termiti e dei loro microrganismi intestinali è interessante anche dal punto di vista della scala e della riproducibilità. E a certi livelli studio le termiti e i loro microrganismi intestinali perché si tratta di un ambiente estremamente affascinante e complesso. Tuttavia, l'ambiente del proctodeo, questo ecosistema del proctodeo, è molto diverso da molti altri ambienti.

L'intestino posteriore della termite è molto piccolo, con un volume di circa un microlitro, ed è ben delimitato nel senso che è rivestito dall'epitelio intestinale o dall'insetto stesso. Tuttavia, possiamo definire in modo molto concreto quali siano i confini di quell'ambiente. L'ambiente è molto ridotto e possiamo raccogliere una scatola di termiti, per esempio 200 termiti, e in media ritroviamo lo stesso ambiente replicato ripetutamente.

Se si confronta l'ambiente dell'intestino del termite, ad esempio, con il Mar dei Sargassi, il Mar dei Sargassi è enorme e vasto. Ha un'estensione di mille miglia. I suoi confini sono definiti, ma forse solo in senso operativo.

Non esiste un confine netto del Mare dei Sargassi ed esiste un solo esemplare di questo tipo. Pertanto, possiamo apprendere molto sulle scienze marine attraverso lo studio del Mare dei Sargassi ed è molto importante studiare questo mare. Tuttavia, ci sono alcune complicazioni: bisogna essere in grado di salire su una barca e raggiungerlo.

Se si ha una scoperta riguardo ad alcuni dei microrganismi presenti, potrebbe non essere noto dove tali microrganismi si trovino in un determinato momento, poiché potrebbero differire di localizzazione anche di chilometri e, ovviamente, ce n'è soltanto uno. Pertanto, è difficile studiare il mare dei Sargassi e perturbarlo in qualche modo, avendo un mare dei Sargassi di controllo con cui confrontarlo. Studiando invece i microrganismi intestinali, abbiamo effettivamente un esempio di un ambiente che si presta alle tecniche di laboratorio.

È possibile riprodurre quell'ambiente, perturbarlo e confrontarlo con gruppi di controllo. E sappiamo sempre con una precisione di circa un millimetro in quale punto tutte queste diverse popolazioni microbiche e specie microbiche interagiscono, interagiscono in questo ambiente intestinale di un microlitro. Pertanto, nel mio laboratorio, amiamo studiare questa comunità microbica utilizzando qualsiasi tecnica disponibile che possa aiutarci a svelare i segreti di questa comunità.

Un aspetto certamente importante di questo approccio è stato quello di tentare la coltivazione di specie presenti in quella comunità microbica. In vitro, in laboratorio, una comunità di 250 specie è molto complessa, e l'interpretazione della ricerca risulta di gran lunga più chiara se si può studiare una coltura pura di un batterio. Parte dei nostri sforzi si è concentrata sull'analisi di questa comunità intestinale, cercando di coltivare e far crescere singole specie provenienti da tale comunità, per poi studiarne in dettaglio la fisiologia, la genetica e la genomica, e infine cercare di comprendere quale sia il ruolo di tali specie all'interno della comunità stessa.

Un esempio di ciò è il nostro studio sull'intestino delle termiti. Gli Spiro keets, gli Spiro keets sono organismi a forma spirale, che si trovano in abbondanza in quasi tutte le termiti. Nelle termiti sono presenti spirochete, che in realtà sono strettamente imparentate con l'agente causale della sifilide, ma in tutte le termiti sane si osservano questi SPI keets.

E così, per molti, molti anni, abbiamo saputo che questi spirochete sono probabilmente simbionti che svolgono un ruolo positivo per l'ospite, ma non sapevamo cosa facessero. Circa 10 anni fa, sono riuscito a coltivare alcuni di questi spirochete SPI in vitro e ora possiamo studiare questi spirochete SPI, imparando molto sulla loro fisiologia e sul ruolo che probabilmente svolgono nell'ambiente. Prima di quel periodo, non avevamo alcuna idea di ciò che questi spirochete facevano nel loro ambiente.

E così abbiamo effettuato numerose scoperte grazie alle colture pure, studiando queste colture pure. Utilizziamo inoltre metodi basati sui geni per analizzare questa comunità microbica. Potrebbe esserci un particolare tipo di gene che rappresenta una certa fisiologia, e possiamo esaminare questa comunità per chiederci quante varianti di questo gene siano presenti e quali organismi codificano per questi geni chiave?

E così possiamo iniziare a dissezionare funzionalmente ciò che avviene in questo intestino posteriore, studiando la diversità dei geni coinvolti nel metabolismo dell'azoto e negli aspetti chiave del metabolismo del carbonio. Possiamo inoltre utilizzare meccanismi o approcci basati sui geni per valutare la diversità degli organismi nel termite. Possiamo usare i geni dell'RNA ribosomiale come geni marcatore o barcode per determinare con precisione quante specie sono presenti in questa comunità, la loro abbondanza e in che misura le nostre colture pure riflettono effettivamente tale diversità. Utilizziamo quindi diverse tecniche basate sui geni nel mio laboratorio.

Eravamo inoltre impegnati in metagenomica, campo in cui siamo interessati allo studio del contenuto genico completo di questo ecosistema microbico, al fine di ottenere un'idea di tutti i diversi tipi di metabolismo che avvengono in questa comunità. Nel mio laboratorio studiamo colture pure. Utilizziamo tecniche basate sui geni rese possibili dalla PCR, impieghiamo la metagenomica e analizziamo le attività, in particolare le attività enzimatiche presenti nell'intestino posteriore.

E utilizziamo anche la microscopia per cercare di comprendere dove si trovano gli organismi nell'intestino e con quali altre cellule interagiscono. Nel complesso, il nostro obiettivo è capire quante specie sono presenti nell'intestino posteriore, cosa stanno facendo tutte e come interagiscono tra loro. Esistono diverse difficoltà nello studio delle comunità microbiche, che si distinguono da altre comunità presenti in natura.

Sai, è relativamente semplice fare una passeggiata nei boschi o nella savana e osservare le diverse specie di piante e animali che incontri durante il cammino. Nell'ecologia delle comunità, negli ultimi cento anni sono stati sviluppati numerosi metodi e approcci per iniziare a porsi domande su quante specie di piante o animali siano presenti in una determinata comunità e con quale frequenza le si incontra in tale comunità. Inoltre, osservare effettivamente alcuni di questi organismi all'interno della loro comunità nel tempo, per vedere quali tipi di adattamenti abbiano nei confronti delle dinamiche ambientali e degli stress ambientali a cui sono sottoposti.

Sai, puoi osservare un elefante o un leone nella savana e notare alcuni dei loro comportamenti legati alle adattamenti, al modo in cui ottengono la loro energia e il loro cibo e a come interagiscono tra loro. Tutto ciò è abbastanza semplice da osservare quando si studiano microrganismi, organismi visibili a occhio nudo. È anche piuttosto semplice distinguere se si ha a che fare con una pianta o un animale.

Non intendo in termini di specie, ma in termini di ciò che fanno. È possibile osservare un organismo e affermare con quasi certezza che si tratta di un fotoautotrofo, cioè un organismo che assorbe la radiazione solare e trasforma quell'energia in qualcosa di utile. Oppure sto osservando un animale eterotrofo e questo animale utilizza principalmente le proteine come fonte di energia.

Quindi ci sono diverse osservazioni che puoi fare mentre attraversi una comunità urbana come quella di L'Avana o una comunità forestale. È molto più difficile effettuare tali osservazioni e trarre conclusioni quando si studiano comunità microbiche. Gli organismi sono piccoli e non è sempre evidente, nemmeno con un microscopio molto potente, in che modo e quanto differenti siano tra loro gli organismi.

Cioè, se si osserva una comunità microbica in sé, può essere molto difficile stabilire quante specie siano presenti e quali siano le loro distribuzioni relative. Può inoltre risultare molto difficile osservare quella comunità microbica al microscopio e rispondere alla domanda: cosa fanno questi organismi? Pertanto, una delle principali sfide nello studio delle comunità microbiche consiste nell'identificare chi è presente e quali attività svolgono.

Ecco perché dobbiamo utilizzare diverse tecniche nello studio delle comunità microbiche per estrarre informazioni su chi è presente in quella comunità, chi è attivo, quali funzioni svolgono questi organismi e come rispondono ai cambiamenti del loro ambiente, nonché quali sono le loro adattamenti. Da quando ho iniziato a interessarmi allo studio delle comunità microbiche dell'intestino dei termiti, circa 17 anni fa intorno al 1990, il mio campo di ricerca ha visto numerosi avanzamenti tecnologici che mi hanno permesso, insieme ad altri ricercatori, di apprendere molto di più sulle comunità microbiche, e in particolare sulle comunità intestinali dei termiti. Per la maggior parte, si tratta di tecniche basate sui geni.

Quando ho iniziato a studiare le termiti, era possibile utilizzare la microscopia, osservare una comunità microbica come quella dell'intestino posteriore delle termiti e valutare le diverse forme presenti in tale comunità, ottenendo un'approssimazione del numero di specie diverse presenti. Ma negli ultimi 15-17 anni, sono diventate disponibili numerose tecniche basate sui geni e molte tecniche di genomica, che hanno rapidamente trasformato la nostra capacità di estrarre informazioni da comunità microbiche come l'intestino posteriore delle termiti. Oggi possiamo utilizzare i geni come marcatori quasi barcode per identificare diversi organismi e ambienti.

È possibile analizzare una comunità microbica, come l'intestino posteriore di una termite, e determinare quante specie diverse siano presenti utilizzando determinati geni come proxy di tale diversità. Possiamo inoltre usare quel gene come un codice a barre per verificare se tali organismi sono presenti in coltura oppure per monitorare le fluttuazioni nell'abbondanza delle diverse specie all'interno della comunità. Mediante altre tecniche basate sui geni, possiamo chiederci se i geni che codificano per enzimi specifici siano presenti o meno in questa comunità.

E quante variazioni, quindi quanti specie di organismi esistono che catalizzano questo processo, e abbiamo tali organismi in coltura? Sono stati sviluppati numerosi approcci basati su geni e sulla reazione a catena della polimerasi (PCR) per lo studio delle comunità microbiche, che hanno radicalmente cambiato il modo in cui comprendiamo tali comunità. Tutti questi cambiamenti si sono manifestati negli ultimi 20 anni.

Lo studio delle termiti e dei loro microrganismi intestinali è interessante sia dal punto di vista della ricerca fondamentale o accademica, sia da quello della ricerca biotecnologica e applicata. Le termiti mangiano e degradano il legno. Per me è molto importante cercare di comprendere attraverso quali meccanismi le termiti e i loro microrganismi intestinali attacchino effettivamente il legno, che è in realtà il primo materiale composito della natura.

Si tratta di un composito a tripla laminazione e di un materiale molto resistente. Comprendere appieno come questo insetto, grazie ai microrganismi del suo tratto intestinale, deamini tale composito e degradi successivamente tutte le sue componenti in prodotti utilizzabili come fonte energetica sia dall'insetto sia dai microrganismi stessi, è per me estremamente affascinante, ma presenta anche rilevanza fondamentale per la biotecnologia e per l'industria.

Come società, in realtà non comprendiamo completamente. In effetti, comprendiamo molto poco su come il legno venga degradato in qualunque cosa. E attualmente esiste un notevole interesse nel raggiungere una migliore comprensione di come la lignocellulosa vegetale – ad esempio le paglie del riso, le pannocchie di mais o gli scarti della canna da zucchero dopo l’estrazione dello zucchero – venga trasformata.

Esiste un grande interesse nel comprendere come trasformare materie prime lignocellulosiche a basso valore in prodotti ad alto valore come etanolo, idrogeno, metano o altri composti. Ciò che è veramente importante considerare è che le termiti degradano continuamente il legno lignocellulosico e lo trasformano nel proprio biocombustibile. Industrialmente, suscita notevole interesse comprendere quali enzimi sono coinvolti nell'attacco iniziale al legno.

E forse a quel punto si potrebbe prendere questi enzimi e accoppiarli, accoppiarli ad altri processi a valle per sviluppare un nuovo processo diverso da quello attualmente utilizzato nell'industria e diverso anche da quanto avviene in natura, ma che sfrutti davvero il meglio del meglio per ottenere qualcosa di nuovo, convertendo il legno in un prodotto di interesse. Etanolo, idrogeno, metano o qualsiasi altra sostanza: nel mio laboratorio l'interesse principale è raggiungere una comprensione fondamentale di questa comunità microbica, della sua interazione con l'ospite e del ruolo che l'ospite svolge all'interno della comunità microbica nella degradazione della lignocellulosa.

Tuttavia, esiste un notevole interesse nel cercare di utilizzare parte di queste informazioni sfruttandole nello sviluppo di nuovi processi industriali. Credo che negli ultimi due anni ci sia stata molta discussione sui biocarburanti, il che ha attirato l'attenzione sulla possibile necessità e persino sulle potenzialità della ricerca in questo campo. Devo essere onesto, però: non credo che il livello di finanziamenti e iniziative sia proporzionato all'interesse suscitato.

Non esiste un progetto Manhattan per i biocarburanti. Non c'è stata alcuna notevole investitura su larga scala nella ricerca di base che riguardi la ricerca sui biocarburanti. E poiché la nostra comprensione fondamentale della degradazione della lignocellulosa è attualmente così scarsa, ritengo che se avessimo un'iniziativa sui biocarburanti, questa dovrebbe includere investimenti mirati a tutti i livelli, dalla ricerca accademica fondamentale fino all'industria, per renderla possibile.

E se le persone vogliono che ciò accada tra due, cinque o dieci anni, dovremo anche investire fondi affinché le persone impegnino il proprio tempo e le proprie energie per realizzarlo. Negli ultimi 20 anni, la nostra capacità di utilizzare tecniche basate sui geni per studiare le comunità microbiche è progredita con estrema rapidità. Credo che tutti possiamo sognare un po' riguardo a ciò che potrebbe accadere nei prossimi cinque-dieci anni, e penso che ci siano ottime probabilità che, tra dieci anni, avremo la capacità di conoscere, sequenziare e analizzare l'intero genoma di ciascuna specie esistente.

Nell'intestino posteriore delle termiti, ce ne sono almeno 250, e credo che ci sarà l'opportunità di disporre di un archivio, per così dire, di informazioni in cui conosciamo il contenuto genico di ciascuna di queste specie. E questa sarà una scoperta molto significativa, perché soltanto 10 anni fa stavamo sequenziando per la prima volta i genomi di microrganismi molto ben conosciuti. E in altri 10 anni, credo che saremo in grado di analizzare comunità microbiche complesse e accedere alle informazioni genomiche di organismi che non abbiamo mai studiato in alcun dettaglio, potendo così utilizzare tali informazioni per condurre per la prima volta studi su questi organismi.