Bacteriile si influenta lorDe-a lungul carierei sale, celebrul biolog Lynn Margulis (1938-2011) a argumentat că lumea microorganismelor are un impact mult mai mare asupra întregii biosfere, (definită ca lumea tuturor lucrurilor vii), decât recunosc oamenii de ştiinţă de obicei.

 

 

 

 

Trăim într-o lume a bacteriilor şi acest lucru ne afectează mai mult decât se credea până acum.


În prezent, o echipă de oameni de ştiinţă care activează la universităţi din întreaga lume au comparat şi au redactat rezultatele a sute de studii care urmăresc interacţiunile dintre animale şi bacterii, cele mai multe realizate în ultimul deceniu şi au arătat că Margulis a avut dreptate. Rezultatele combinate sugerează că dovezile care sprijină afirmaţiile făcute de Margulis au ajuns într-un punct critic, fiind necesar prin urmare ca oamenii de ştiinţă să reexamineze unele dintre caracteristicile fundamentale ale vieţii, prin prisma relaţiilor complexe, co-dependente, existente între bacterii şi alte forme de viaţă extrem  de diferite.

 

Forme de viata

În imagine, procentul din genomul uman care a apărut la o serie de etape în evoluţie. 37% din genele umane îşi au originea în bacterii. Credit: Margaret McFall-Ngai, et al. ©2013 PNAS


Proiectul care implică revizuirea cercetărilor existente în prezent privind interacţiunile dintre animale şi bacterii a început atunci când unii oameni de ştiinţă şi-au dat seama de rolul important pe care bacteriile îl deţin în cadrul propriului domeniu de preocupare ştiinţifică. În cazul lui Michael Hadfield, profesor de biologie la Universitatea din Hawaii, Manoa, aprecierea a crescut de-a lungul multor ani, în timp ce studia metamorfoza animalelor marine. El a descoperit că anumite bacterii determină larvele marine să se stabilească în anumite locuri pe fundul mării, unde se transformă în peşti tineri şi îşi petrec restul vieţii.

"Odată ce am stabilit că anumite biofilmul bacterian asigură un ligand esenţial şi unic care stimulează larvele distribuite global ale unui vierme marin distribuite global, cercetările noastre au început bineînţeles să progreseze spre studierea porţiunii din genomul bacterian responsabilă de semnalizare, precum şi la alte specii, la care am găsit aceleaşi gene implicate", a relatat Hadfield pentru Phys.org. "Privind studiul interacţiunilor dintre animale şi bacterii din perspective diferite, şi recunoscând mult mai multe, am discutat pe larg împreună cu Margaret McFall-Ngai, profesor de Microbiologie şi Imunologie Medicală de la Universitatea din Wisconsin, Madison despre situaţia actuală extensiv şi apoi am decis să încercăm să reunim un număr semnificativ de experţi în cadrul diferitelor abordări ale studiului interacţiunilor dintre bacterii şi animale pentru a elabora o lucrare, cum ar fi cea pe care o aveţi în mână. Am propus o "întâlnire catalizatoare" cu tema National Science Foundation's National Evolutionary Synthesis Center – Centrul de Sinteză al Evoluţiei Naţionale al Fundaţiei Naţionale de ştiinţă (NESCent), care a fost finanţată, iar proiectul a luat avânt."


Bacteriile ne înconjoară

În multe privinţe, este uşor de remarcat rolul important pe care bacteriile îl deţin în lume. Bacteriile au fost una dintre primele forme de viaţă care au apărut pe Pământ, în urmă cu aproximativ 3,8 miliarde de ani, şi ele vor supravieţui, cel mai probabil, mult timp după ce oamenii vor dispărea. Actualmente, în arborele vieţii, acestea ocupă una dintre cele trei ramuri principale (celelalte două sunt Archaea şi Eucarya, animalele aparţinând celei din urmă). Cu toate că bacteriile sunt extrem de diverse şi trăiesc aproape oriunde pe Pământ, începând de la fundul oceanului până în interiorul intestinelor noastre, ele au câteva lucruri în comun. Ele sunt similare ca mărime (câţiva micrometri), sunt de obicei alcătuite fie dintr-o singură celulă, fie din câteva celule, iar celulele lor nu au nuclee.

Deşi oamenii de ştiinţă ştiau de mulţi ani că animalele servesc drept gazdă pentru bacterii, care trăiesc mai ales în intestin, în cavitatea bucală şi pe piele, studiile recente au descoperit cât de numeroşi sunt aceşti microbi. Studiile au arătat că numărul de celule bacteriene pe care oamenii îl au este de 10 ori mai mare decât cel al celulelor umane. Cu toate acestea, bacteriile per total cântăresc mai puţin de o jumătate de kilogram, deoarece celulele bacteriene sunt mult mai mici decât celulele umane.

În timp ce unele dintre aceste bacterii trăiesc pur şi simplu alături de animale, fără să interacţioneze mult, altele interacţionează chiar foarte mult. Asociem de multe ori bacteriile cu "germenii" care cauzează boli sau cu agenţii patogeni şi bacteriile sunt responsabile pentru multe boli, cum ar fi tuberculoza, ciuma bubonică şi infecţiile cu Stafilococ aureus meticilino rezistent. Dar bacteriile au şi multe roluri benefice şi cercetările recente subliniază faptul că viaţa animală nu ar fi la fel fără ele.

"Adevăratul număr al speciilor de bacterii din lume este uluitor de mare, inclusiv bacteriile descoperite acum, care înconjoară Pământul în straturile cele mai superioare ale atmosferei noastre şi în stâncile aflate în adâncime sub fundul mării", a declarat Hadfield." Apoi adăugaţi-le pe toate cele din toate mediile posibile la care vă puteţi gândi, de la bazine la izvoarele termale, şi aproape peste tot la suprafaţa şi în interiorul fiecărui organism viu. Prin urmare, proporţia tuturor speciilor de bacterii care sunt patogene pentru plante şi animale este sigur mică. Bănuiesc că proporţia care este benefică sau necesară pentru plante şi animale este, de asemenea, relativ mică în comparaţie cu numărul total de bacterii prezente în univers, şi cu siguranţă cele mai multe bacterii, din această perspectivă, sunt "neutre." Cu toate acestea, eu sunt, de asemenea, convins că numărul de microbi benefici, microbi chiar foarte necesari, este mult, mult mai mare decât numărul de agenţi patogeni."


Originea animalelor şi co-evoluţia


Încă de la bun început, este posibil ca bacteriile să fi jucat un rol important prin participarea la descendenţa organismelor multicelulare (în urmă cu aproximativ 1-2 miliarde de ani) şi la cea a animalelor (în urmă cu aproximativ 700 de milioane de ani). Cercetătorii au descoperit recent că una dintre cele mai apropiate rude în viaţă a animalelor multicelulare, un choanoflagelat unicelular, răspunde la semnalele provenite de la una dintre bacteriile de pradă. Aceste semnale fac ca celulele choanoflagelate care se divid să menţină legăturile, ceea ce duce la formarea de colonii bine coordonate, care ar fi putut deveni organisme multicelulare. Cu toate acestea, astfel de întrebări privitoare la origine au fost subiectul unor dezbateri intense, iar oamenii de ştiinţă au mai multe ipoteze privitoare la modul în care aceste forme de viaţă au apărut. Un rol bacterian în aceste procese nu exclude alte perspective, dar adaugă un element suplimentar.

 

Bacterii microflora

Bacteriile din microflora unui animal, cum ar fi cele din intestin, din cavitatea bucală şi de la suprafaţa pielii, comunică între ele şi schimbă semnale cu sistemele de organe ale animalului. Unele dintre semnale chimice sunt redate în figura de mai sus. Credit: Margaret McFall-Ngai, et al. ©2013 PNAS

După ce au ajutat animalele să înceapă, bacteriile au jucat, de asemenea, un rol important, ajutându-le de-a lungul traseului lor evolutiv. Deşi se consideră că dezvoltarea animalelor este în mod obişnuit direcţionată în primul rând de către genomul propriu al animalelor ca răspuns la factorii de mediu, studii recente au arătat că dezvoltarea animalelor poate fi considerată mai degrabă ca o orchestraţie între animale, mediu şi co-evoluţia a numeroase specii microbiene. Un exemplu în acest sens al co-evoluţiei este posibil să se  fi produs în cazul mamiferelor care au evoluat endotermic. Un alt exemplu este capacitatea de a menţine o temperatură constantă de circa 40°C (100°F) prin mijloace metabolice. Aceasta este, de asemenea, temperatura la care partenerii bacterieni ai mamiferelor lucrează la eficienţă optimă, oferind energie pentru mamifere şi reducând necesarul acestora  de a se alimenta. Această constatare sugerează că temperatura preferată de bacterii este posibil să fi determinat o presiune de selecţie asupra evoluţiei genelor asociate cu endotermia.


Semnalizarea bacteriană

Dovezi ale unei alianţe adânc înrădăcinate între animale şi bacterii, de asemenea, apar în genomul ambelor grupuri. Cercetătorii estimează că aproximativ 37% din cele 23.000 de gene umane au omologi în rândul bacteriilor şi a speciei Archaea, de exemplu. Ele sunt legate de gene care se întâlnesc atât la bacterii, cât şi la specia Archaea, acestea având un strămoş comun.

Multe dintre aceste gene omoloage permit semnalizarea între animale şi bacterii, ceea ce sugerează că au fost capabile să comunice şi să-şi influenţeze reciproc dezvoltarea. Un exemplu este oferit de către Hadfield şi descoperirea pe care a realizat-o grupul său, şi anume că semnalizarea bacteriană joacă un rol esenţial în inducerea metamorfozei la unele larve nevertebrate marine, în cazul cărora bacteriile produc semnale asociate cu anumiţi factorii de mediu. Alte studii au constatat că semnalizarea bacteriană influenţează dezvoltarea normală a creierului la mamifere, afectează comportamentul de reproducere atât la vertebrate, cât şi la nevertebrate, şi activează sistemul imunitar la musca ţeţe. Produse chimice olfactive care atrag anumite animale (inclusiv oamenii) spre potenţialii lor colegi sunt, de asemenea, produse de bacteriile rezidente ale animalelor.

Semnalizarea bacteriană nu este esenţială numai pentru dezvoltare. Ea joacă un rol important, de asemenea, în menţinerea homeostaziei la animale, menţinându-ne sănătoşi şi fericiţi. Cercetările efectuate au relevat faptul că bacteriile prezente în intestin pot comunica prin intermediul sistemului nervos central, cu creierul. Totodată, studiile au scos la iveală că şoarecii care nu posedă anumite bacterii, prezintă defecte la nivelul anumitor regiuni ale creierului care controlează comportamentul anxios. Semnalizarea bacteriană joacă, de asemenea, un rol esenţial în protecţia sistemului imunitar al unui animal. Perturbarea acestor căi de semnalizare bacteriană poate duce la apariţia unor boli cum ar fi diabetul zaharat, bolile inflamatorii intestinale şi a unor infecţii. Studiile sugerează şi că mulţi dintre agenţii patogeni care cauzează boli la animale posedă aceste canale de comunicare bacteriene, care iniţial au evoluat pentru a menţine un echilibru între animal şi sute de specii de bacterii benefice.

Semnalizarea apare şi în ecosisteme aflate în sfere mai largi. De exemplu, bacteriile care se găsesc în nectarul din flori pot schimba proprietăţile chimice ale nectarului, influenţând modul în care polenizatorii interacţionează cu plantele. Sugarii umani a căror naştere are loc pe cale vaginală posedă bacterii intestinale diferite faţă de cei care se nasc prin cezariană, care ar putea avea efecte pe termen lung. Şi bacteriile care se hrănesc cu animale moarte pot respinge animalele necrofage, organisme care au de 10.000 de ori dimensiunea lor, prin producerea de mirosuri nocive care determină animalele care se hrănesc cu resturi să stea departe.


La nivel intestinal


În cazul primelor animale apărute, bacteriile intestinale au jucat un rol important în nutriţie, ajutând animalele să digere alimentele şi este posibil să fi influenţat dezvoltarea altor sisteme de organe din apropiere, cum ar fi sistemul respirator şi cel urogenital. În plus, evoluţia animală este cel mai probabil responsabilă de evoluţia bacteriilor, uneori, în nişe extrem de specializate. De exemplu, 90% dintre speciile de bacterii din intestinele termitelor nu se găsesc în altă parte. O astfel de specializare înseamnă, de asemenea, că dispariţia fiecărei specii de animale duce la dispariţia unui număr necunoscut de linii de bacterii care au evoluat odată cu această specie.

Oamenii de ştiinţă au descoperit şi că bacteriile din intestinul uman se adaptează la schimbarea dietei. De exemplu, majoritatea americanilor au un microbiom în intestin, care este optimizat pentru digestia unei diete bogate în grăsimi şi în proteine, în timp ce locuitorii din mediul rural din Amazonas, Venezuela, au în intestin microbi mai potriviţi pentru scindarea glucidelor complexe. Mai mult chiar, unele persoane din Japonia au în intestin o bacterie, care poate digera alge marine. Cercetătorii sunt de părere că microbiomul din intestin se adaptează în două moduri. Pe de o parte prin adăugarea sau eliminarea anumitor specii de bacterii şi pe de altă parte prin transferul de gene dorite de la o bacterie la alta prin transferul de gene orizontale. Atât gazda, cât şi bacteria beneficiază de pe urma acestui tip de relaţie de simbioză. Cercetătorii sunt de părere că această relaţie este mult mai răspândită decât se credea anterior.


Viziunea de ansamblu

Per total, studiile recente au arătat că animalele şi bacteriile au istorii care sunt profund interconectate şi depind unele de altele pentru a-şi menţine sănătatea şi bunăstarea proprie, precum şi cea a mediilor în care trăiesc. Deşi cercetătorii s-au axat exclusiv pe interacţiunile dintre animal şi bacterii, se aşteaptă ca tendinţe similare de co-dependenţă şi simbioză să fie  universale în rândul altor grupuri şi între alte grupuri, cum ar fi Archaea, ciupercile, plantele şi animalele. Odată ce este considerat o excepţie, această îmbinare devine recunoscută ca regulă, aşa cum Margulis a prezis cu multe decenii în urmă. Datorită acestor relaţii simbiotice, oamenii de ştiinţă propun în acest caz ca definiţiile unui organism, a unui mediu, a unei populaţii şi a genomului au devenit neclare şi ar trebui să fie revizuite . S-ar putea, de exemplu, ca animalele să fie mai bine privite ca şi ecosisteme gazdă-microb decât ca indivizi.

 

Insecte, bacterii, padure

O insectă (1 mm), care trăieşte în coronamentul pădurii (10 m) ilustrează efectele interacţiunii dintre animal şi bacterie la mai multe dimensiuni. Bacteriile (1 micrometru), care locuiesc în intestinele animalelor (de 0,1 mm), sunt esenţiale pentru hrana insectelor, şi insectele de multe ori alcătuiesc majoritatea biomasei animalelor  în coronamentele pădurilor. Credit: Margaret McFall-Ngai, et al. ©2013 PNAS

În plus, oamenii de ştiinţă prezic faptul că descoperirile recente privind interacţiunile dintre animale şi bacterii probabil vor face necesar ca biologii să îşi modifice în mod semnificativ punctul de vedere în ceea ce priveşte natura fundamentală a întregii biosfere. În rândul acestor branşe, proiectele de cercetare pe scară largă, cum ar fi Proiectul Microbiomului Uman şi Proiectul Microbimului de pe Terra, sunt deja în curs de desfăşurare pentru a investiga o gamă largă de bacterii din sistemele individuale şi globale, şi pentru a vedea ce se întâmplă atunci când bacteriile sunt perturbate.

În cele din urmă, oamenii de ştiinţă speră că rezultatele vor încuraja o colaborare interdisciplinară în rândul oamenilor de ştiinţă şi a inginerilor din diferite domenii pentru a explora noi frontiere microbiene. Ei susţin că aceste descoperiri ar trebui să revoluţioneze modul în care biologia este predată în liceu şi după aceea, concentrându-se mai mult asupra relaţiilor dintre bacterii, asupra animalelor partenere, precum şi asupra celorlalte forme de viaţă.

"Este greu să rezumăm 'cea mai importantă concluzie' diferită de îndemnul  biologilor de a  studia animalele, de la comportament la fiziologie şi de la ecologie la biologia moleculară. Indiferent de procesul pe care credeţi că îl studiaţi, trebuie să cautaţi şi să luaţi în considerare un rol important al bacteriilor", a declarat Hadfield. "În multe cazuri, acest lucru poate necesita formarea unor parteneriate dincolo de graniţele tradiţionale ale cercetării, ceea ce înseamnă că zoologii trebuie să colaboreze cu microbiologii pentru a avansa în cadrul cercetărilor, că biologii moleculari trebuie să colaboreze cu biologii întregului organism, etc. Ne dorim cu tărie ca mesajul "Animalele într-o lume a bacteriilor", să fie un apel pentru dispariţia graniţelor vechi existente între departamentele de ştiinţe ale vieţii (de exemplu, departamentele de zoologie, botanică, microbiologie, etc) în universităţi şi societăţi (de exemplu, Societatea Americană de Microbiologie, etc.). Ne-am dori, de asemenea, ca mesajul să fie difuzat în cadrul cursurilor din facultăţi şi universităţi,  începând cu cele de biologie introductivă şi până la cursurile avansate din diverse domenii tematice ale lucrării noastre."

Rezultatele vor schimba semnificativ modul în care oamenii de ştiinţă din cadrul acestei colaborări vor continua cu propriile lor domenii de cercetare, a declarat Hadfield.

"Fiecare dintre autorii lucrării noastre desfăşoară activităţi fundamentale de cercetare, în una sau mai multe domenii care se concentrează asupra interacţiunilor dintre animale şi  bacterii discutate în lucrare şi sunt sigur că fiecare va continua să se concentreze asupra propriei specialităţi", a afirmat el." Cu toate acestea, eu sunt, de asemenea, sigur că interacţiunile dezvoltate în timpul compunerii şi redactării lucrării (începând cu întâlnirea noastră NESCent din octombrie 2011, când cei mai mulţi dintre noi s-au întâlnit pentru prima dată), vor avea un impact asupra propriilor noastre cercetări şi ne vor determina să stabilim noi colaborări cu alte laboratoare. Acest lucru s-a întâmplat deja şi în cazul meu. Am stabilit o nouă colaborare cu grupul Dianne Newman de la CalTech, un grup extraordinar de bacteriologi care ne ajută să cercetăm în amănunţime produsele de gene bacteriene responsabile pentru dezvoltarea larvei.


Traducere de Pavel Ecaterina după bacterial-world-impacting-previously-thought, cu acordul editorului.