Comunicazione cellulare nei batteri lattici degli alimenti

I batteri utilizzano il quorum sensing per regolare molti comportamenti, come ad esempio gli attacchi verso le piante e gli animali “ospite”. Sia piante e sia animali sono in grado di “ascoltare” le “conversazioni” tra questi microrganismi e di mettere in atto delle risposte ai segnali percepiti. Tali risposte possono addirittura interrompere la comunicazione via quorum sensing. Il controllo e la manipolazione degli agenti che interrompono questa comunicazione possono avere molte applicazioni, a partire dalla produzione di dentifrici più efficaci, fino alla possibilità di controllare alcune patologie mediche come fibrosi cistiche o interventi terapici per la cura del cancro.
Questa affascinante scoperta è piuttosto recente. Nel 1995, difatti, Peter Steinberg e Staffan Kjelleberg, dell’University of New South Wales (Australia), nell’ambito di ricerche relative alla formazione di biofilm sulla superficie marina, scoprirono che un’alga rossa Delisea pulchra era in grado di sintetizzare furanoni alogenati. In seguito, fu osservato che tali composti erano in grado di inibire il quorum sensing (Bauer e Robinson, 2002). In particolare, tali composti esplicavano un potere inibitorio verso il sistema di quorum sensing del batterio Serratia liquefacens. Fu visto che questi furanoni, prodotti da particolari vescicole di secrezione dell’alga, legavano direttamente le proteine recettrici dell’AHL, provocandone una rapida degradazione proteolitica.
Ulteriori studi hanno dimostrato che tali furanoni alogenati possedevano proprietà inibitorie verso l’espressione genica, regolata dal quorum sensing, di batteri enterici (Escherichia e Salmonella) che adoperavano molecole segnale del tipo AI-2.
Ciò ha suggerito che il quorum sensing potrebbe essere interrotto e quindi controllato secondo modalità diverse (Stewart, 2003) che prevedono l’impiego di molecole analoghe, sintetizzate chimicamente. Durante un generico processo di infezione, i meccanismi di quorum sensing permettono ai microrganismi patogeni di rimanere nascosti fino a quando non si raggiunge una certa densità cellulare, in grado di sopraffare le difese dell’ospite. Alcune ricerche hanno mostrato come, mutanti con sistemi di quorum sensing inefficienti, risultassero poco o per nulla virulenti.
La scoperta che l’alga rossa D. pulchra producesse furanoni, in grado di inibire la comunicazione tra batteri, ha stimolato una serie di ricerche che hanno dimostrato come alcune piante siano in grado di produrre sostanze che imitano l’azione degli AHLs. In alcuni studi è stato osservato che a seguito di un inoculo di ceppi batterici mutanti, incapaci di produrre gli AHLs, sulla superficie radicale di piante tester, quali, riso, soia, pisello e pomodoro, le piante producevano non solo i “segnali imitatori” ma che addirittura, l’attività dei microrganismi risultava influenzata da questi segnali esogeni (Wolfgang et al., 2005). Negli essudati radicali della pianta di pisello sono stati trovati circa una ventina di questi composti segnale, separabili cromatograficamente, e specifici per determinati recettori.
Sebbene questi composti imitino l’attività degli AHLs, essi non ne condividono la struttura chimica che tuttora risulta sconosciuta (Wolfgang et al., 2005). Alcune ricerche su Medicago truncatula hanno evidenziato come la produzione di queste sostanze sia diversa a seconda degli stadi germinativi del seme e di accrescimento della giovane pianta. Tali evidenze sperimentali hanno portato ad ulteriori approfondimenti che potessero spiegare l’anomalo comportamento osservato in D. pulchra, per il quale le sostanze da essa secrete inibiscono il quorum sensing. Le piante infatti produrrebbero sostanze che imitano l’azione degli autoinduttori e addirittura ne stimolano la comunicazione. A riguardo, si può speculare che la secrezione di sostanze che imitano gli AHLs permetta all’ospite di percepire la presenza di potenziali patogeni, prima ancora che essi raggiungano una concentrazione tale da scatenare l’infezione, e di mettere in atto dei meccanismi di difesa. Una seconda ipotesi è che questi composti stimolino il quorum sensing in batteri che hanno attività simbiotica con la pianta.
Per avvallare questa ipotesi è stata effettuata una ricerca con il batterio azoto-fissatore Sinorhizobium meliloti e l’alga verde Chlamydomonas. In particolare si è osservato il comportamento del microrganismo, in risposta a composti imitanti gli AHLs, purificati ed estratti dall’alga. Come risultato finale si è visto che tali composti stimolavano, nel batterio, l’accumulo di alcune proteine ma bloccavano l’accumulo di altre. Due di queste proteine, colpite dai segnali dell’alga, erano direttamente coinvolte nell’attività azoto-fissatrice (Wolfgang et al., 2005). I batteri patogeni possono presentare diversi livelli di virulenza, più o meno elevati, che dipendono in molti casi dall’ambiente in cui essi si trovano e da eventuali interazioni con altri organismi. Recenti studi hanno dimostrato che in alcuni casi, la virulenza è funzione anche delle strutture extracellulari (Wolfgang et al., 2005). I batteri, infatti, possono aderire alle superfici mediante la formazione di biofilm. La sintesi di tali strutture è considerata la maggiore causa di virulenza di Staphylococcus epidermidis, agente eziologico di diverse patologie a livello umano (Vuong et al., 2003).