Gli scienziati scoprono cose incredibili nei batteri ingranditi 1000 volte

Combinando la tecnica di imaging MERFISH con la microscopia espansa, gli scienziati hanno inaugurato un nuovo modo di studiare i batteri a livello di singola cellula. Questa nuova scoperta consente osservazioni più approfondite sul modo in cui i batteri attivano diversi tipi di geni in risposta al loro ambiente, fornendo informazioni sul comportamento batterico, sulla resistenza agli antibiotici e sulle strategie di infezione.

Come funzionano i batteri

Come coordinano le loro attività i batteri, siano essi quelli benefici presenti nel nostro organismo o quelli pericolosi che causano malattie? Uno studio recente ha fornito nuove informazioni combinando la microscopia genomica avanzata con una tecnica rivoluzionaria per tracciare i geni che i batteri attivano in diverse condizioni e ambienti. Questa scoperta, pubblicata di recente sulla rivista Science, dovrebbe portare la ricerca sui batteri a nuovi livelli.

Il dott. Jeffrey Moffitt e i colleghi del Program in Cellular and Molecular Medicine (PCMM) del Boston Children's Hospital (USA) hanno utilizzato MERFISH, una tecnica di imaging molecolare che Moffitt ha contribuito a sviluppare, per analizzare contemporaneamente l'RNA messaggero (mRNA) in migliaia di campioni batterici individuali. Questo metodo non solo mappa l'espressione genica su larga scala, ma rivela anche come i fattori spaziali influenzano l'attivazione dei geni batterici, qualcosa che non era mai stato fatto prima.

Sfide nell'imaging batterico

Tuttavia, il team ha dovuto prima superare una sfida importante: gli RNA batterici, noti come trascrittomi batterici, sono densamente condensati all'interno di cellule minuscole, il che li rende difficili da distinguere e da riprodurre.

Utilizzando una tecnica sviluppata in laboratorio chiamata "microscopia a espansione", il team ha inserito i campioni in uno speciale idrogel. Hanno immobilizzato l'RNA nel gel e hanno variato la soluzione tampone chimica al suo interno. Ciò provoca l'espansione del gel, aumentando la dimensione del campione da 50 a 1000 volte. A questo punto, tutti gli RNA batterici diventano digeribili individualmente.

Cosa significa espressione genica batterica?

Finora gli scienziati hanno solitamente misurato il comportamento dei batteri calcolando la media sull'intera popolazione batterica. La capacità di identificare i geni utilizzati dai singoli batteri potrebbe fornire nuove e importanti informazioni sulle interazioni batteriche, sulla virulenza, sulle risposte allo stress, sulla resistenza agli antibiotici, sulla formazione di biofilm, ad esempio nei cateteri, e altro ancora.

"Ora abbiamo gli strumenti per rispondere a domande interessanti sulle interazioni ospite-microbo e microbo-microbo", afferma Moffitt. Possiamo esplorare come i batteri comunicano e competono per le posizioni spaziali e determinare la struttura delle comunità batteriche. E possiamo chiederci come i batteri patogeni regolano la loro espressione genica quando infettano le cellule dei mammiferi.

Bacterial-MERFISH può anche fornire informazioni sui batteri difficili da coltivare nelle piastre di Petri. Ora gli scienziati non avranno più bisogno di coltivarli, ma potranno semplicemente fotografarli nel loro ambiente naturale.

Approfondimenti a livello di singola cellula sulle strategie di sopravvivenza batterica

Alcuni degli esperimenti condotti dal team hanno illustrato il tipo di domande a cui Bacterial-MERFISH potrebbe rispondere. Ad esempio, Moffitt e colleghi sono riusciti a dimostrare che le singole cellule di Escherichia coli, quando private di glucosio, tentano di utilizzare fonti alimentari alternative in sequenza, modificando la loro espressione genica in una sequenza specifica. Acquisendo una serie di istantanee genetiche nel corso del tempo, il team è riuscito a ricostruire questa strategia di sopravvivenza.

Il team ha anche ottenuto informazioni sul modo in cui i batteri organizzano i loro RNA all'interno delle cellule, il che potrebbe essere importante nella regolazione di diversi aspetti dell'espressione genica. In passato era molto difficile gestire una trasformazione del genere, ma ora questo compito è diventato molto più semplice.