Quorum Sensing: Un primo sguardo alla comunicazione biologica

Dai batteri agli umani, ogni essere vivente è immerso in una rete di segni. Quorum sensing e biofilm mostrano come interpretare la comunicazione in natura.

Nessuna cellula è un’isola, nemmeno quelle che consideriamo le forme di vita più semplici. La comunicazione è parte integrante dei processi vitali, un dialogo molecolare costante che orchestra la vita a ogni livello. Attraverso il quorum sensing, i batteri percepiscono la presenza dei propri simili, passando da un’esistenza individuale a un’azione collettiva. Nascono così i biofilm: vere e proprie società microbiche, fortezze organizzate che dimostrano come la cooperazione e l’interdipendenza siano le vere regole del gioco della vita. 

La comunicazione biologica

In seguito a una decisione forse non del tutto ponderata, abbiamo scelto di inaugurare un’ulteriore serie di articoli: La comunicazione in ambito biologico. Un tema non certo originale, ma capace di generare fraintendimenti non solo a livello divulgativo e popolare ma anche tra noi (“ringraziamo” Stefano Mancuso per le litigate).

Infatti, discutendo di piante, batteri o sistemi nervosi, ci siamo trovati più volte in disaccordo non tanto sui fatti, ma sulle definizioni di base, sulle implicazioni epistemologiche e sull’uso del linguaggio stesso. Il nostro obiettivo, quindi, è chiarire cosa si intenda realmente quando si parla di “comunicazione” in ambito animale, vegetale o microbico, senza farvi persuadere acriticamente da titoli sensazionalistici, fuorvianti e privi di fondamento, come “Gli alberi parlano fra loro durante le eclissi di Sole”.

Tuttavia è proprio questo il punto di vista che proveremo ad adottare, estendendo (con le dovute cautele) il concetto di “comunicazione” anche a forme di vita non umane.

Premessa epistemologica: modelli, utilità e prospettive

In tutta questa trattazione assumiamo che le definizioni che usiamo siano modelli operativi, non descrizioni assolute della realtà. Dire che “le piante comunicano” o che “i batteri si scambiano informazioni” non implica che questi organismi abbiano coscienza, intenzionalità o finalità nel senso umano del termine. Sono metafore operative e, in questo senso, vanno valutati per la loro capacità esplicativa e predittiva, non per la loro aderenza a un’ipotetica verità oggettiva (anche se luca non è d’accordo).

Proponiamo quindi, arbitrariamente, due livelli di definizione:

1. Comunicazione animale (intenzionale): trasmissione di informazioni tra soggetti “intenzionali” e/o “consapevoli”, con codici culturali condivisi, spesso linguistici o simbolici, e con l’intento esplicito di influenzare il comportamento o lo stato mentale dell’altro. Ovviamente ci riferiamo prevalentemente a quella umana, ma non solo. Dall’etologia alle scienze sociali, quello dell’evoluzione culturale e della memetica è un argomento affascinante e, magari, tema per futuri articoli.
2. Comunicazione biologica (funzionale):
   • Tra organismi: scambio di informazioni tra sistemi viventi che modifica, o può modificare, il comportamento, lo stato fisiologico o l’organizzazione interna del ricevente. Può essere intra- o interspecifica, mediata da segnali chimici, elettrici, meccanici, visivi, ecc… la fantasia della vita, fidatevi, non ha limiti.
   • Nell’organismo: è comunicazione interna qualsiasi forma di segnalazione intra- e intercellulare negli organismi pluricellulari (eucarioti); argomento vastissimo che spazia dagli ormoni alle sinapsi, dai fattori di crescita a quelli di trasmissione. Si consiglia la visione di questo breve video.

Il problema dell’intenzionalità percepita è centrale. Il punto non è se un organismo “vuole” comunicare, ma se ci sono meccanismi che, in termini funzionali, consentono uno scambio di informazioni che sia interpretabile. In questo senso, vogliamo comprendere nella definizione di “comunicazione” anche eventi che avvengono senza consapevolezza, come quando si tratta di stimolo-risposta.

Il valore dell’informazione è quindi dato dalla relazione sistemica: un suono, un odore, un segnale chimico, un mRNA è “informazione” solo se esiste un sistema ricevente capace di interpretarla come tale. Questo porta alla necessità di una semiotica naturale; riteniamo infatti sia utile concepire il mondo come rete di segni interpretati.

Forme di comunicazione biologica

Facendo presente, che secondo l’etologia, è comunicazione solo quella informativa -un ambito che meriterebbe ben altri approfondimenti, che rimandiamo a futuri articoli: dall’information theory of individuality alla teoria della mente estesa, dalla genetica alla memetica. Rientrano nella definizione etologica di comunicazione anche i segnali manipolativi e quelli intercettati, spesso veicolati da segnali cospicui (strutture fisiche o morfologiche) che si esprimono in molteplici forme: tattili, chimiche (come mRNA, ormoni, neurotrasmettitori, fitormoni, e più in generale molecole, ioni ecc.), acustiche, visive e così via. Questi segnali possono essere inoltre innati o appresi.

Proponiamo ora qualche esempio rapido di ciò che comprendiamo sotto il termine “comunicazione”, ricordando che ognuno di questi casi potrebbe essere esplorato in profondità, su più livelli e con un’ampia articolazione teorica.

1. Tra batteri
   • Quorum sensing: comunicazione chimica che coordina comportamenti collettivi tramite autoinduttori, ma ci torniamo tra poco.
   • Cross-talk interspecie: segnali come AI-2 permettono interazione tra specie diverse.
   • Trasferimento orizzontale di geni: comunicazione genetica, scambio di DNA tramite coniugazione, trasformazione o trasduzione. sfruttato nei vettori plasmidici anche in laboratorio e causa anche di fenomeni come la resistenza agli antibiotici.
   • RNA in EVs (anche negli Archaea): messaggi molecolari transitori per effetti locali
2. Tra cellule eucariotiche e tessuti di uno stesso organismo
   • Sistemi nervoso ed endocrino: impulsi elettrici e segnali ormonali
   • Comunicazione paracrina e autocrina: segnali a corto raggio
   • Gap junctions e altre proteine: scambio diretto tra cellule adiacenti
3. Dal regno vegetale e quello dei funghi
   • Fitormoni e sostanze volatili: segnalazione intra- e interpianta. Molecole come auxine, giberelline, etilene e acido abscissico.
   • Xilema e floema: trasporto di segnali sistemici
   • RNA warfare tra piante e funghi: dialoghi molecolari cross-kingdom
   • Simbiosi mutualistiche (es. nodulazione): comunicazione RNA-microbioma
4. Tra animali (gli esempi dall’etologia sarebbero infiniti)
   • Comunicazione chimica (feromoni)
   • Segnali visivi, acustici e tattili
   • Metacomunicazione: segnali sul tipo di interazione (es. invito al gioco)
   • Marcatura di territorio: forma indiretta di segnalazione
5. Tra umani
   • Linguaggio non verbale, paraverbale e verbale
   • Simbolismo e astrazione (scrittura, arte)
   • Tecnologia e comunicazione digitale: estensione della mente
   • Interpretazione e costruzione di senso (semiotica)

Caratteristiche della comunicazione cellulare negli eucarioti

Il principale metodo comunicativo e di interazione cellulare avviene attraverso le proteine, considerabili i “building blocks” della cellula – in caso di dubbi recuperate il nostro precedente articolo. In particolare, le cellule presentano delle proteine chiamate recettori a livello della loro membrana fosfolipidica o a livello del citosol per rilevare la presenza di molecole extracellulari. Queste molecole extracellulari possono essere classificate in cinque categorie (Fig.1) :

1. Segnali autocrini: la cellula sintetizza il ligando, che a sua volta si lega ai propri stessi recettori;

2.  Segnali paracrini: segnali locali prodotti da cellule limitrofe che interagiscono con i recettori della cellula target;

3. Segnali endocrini: questi segnali sono prodotti da cellule specializzate localizzate in organi distinti e agiscono a livello sistemico;

4. Segnali sinaptici: segnali chimici rilasciati nelle vicinanze della cellula da parte dei neuroni;

5. Segnali juxtacrini: in questo caso, la cellula risponde a un contatto diretto con un’altra cellula, mediato da proteine di adesione cellulare (cellula-cellula).

Il riconoscimento di una molecola specifica, il ligando, da parte di un recettore innesca cambiamenti conformazionali che portano infine alla trasduzione del segnale, un processo caratterizzato da una cascata di interazioni proteiche che si origina dal legame del recettore con il suo ligando fino ad arrivare agli effettori intracellulari a valle, le cui azioni determinano gli effetti biologici conseguenti riguardanti la proliferazione cellulare, la crescita, la sopravvivenza, la migrazione e la differenziazione cellulare (Fig.2).

L’esito di questi eventi di segnalazione cellulare è determinato dal numero di recettori disponibili, in base ai loro meccanismi di ricambio, come il riciclo dei recettori negli endosomi e la loro eventuale degradazione nei lisosomi, nonché dai patterns di espressione specifici della cellula, che influenzano di conseguenza l’entità dell’attivazione recettoriale, l’intesa come il tasso di stimolazione delle vie cellulari, ovvero le cascate di interazioni proteina-proteina specifiche direttamente collegate ai recettori coinvolti. Inoltre, l’output è il risultato dell’integrazione di vari segnali, che possono essere resi permanenti grazie a circuiti di feedback positivo, ad esempio in eventi come la differenziazione del destino cellulare o l’apoptosi -il processo di morte cellulare- oppure generati in modo transitorio grazie all’azione concertata di circuiti di feedback negativo, come nei processi di regolazione del metabolismo o nella sintesi specifica di molecole extracellulari o intracellulari secrete. Altri meccanismi sono il feedforwaed e i servomeccanismi. Nelle cellule eucariotiche distinguiamo varie tipologie di recettori raggruppati in 4 tipologie: i recettori GPCR, i recettori associati ad attività enzimatica, i canali ionici ligando dipendenti, e i recettori intracellulari (Fig.3). Nel caso dei recettori intracellulari, il legame del ligando, che riesce a passare per la membrana cellulare in quanto lipofilo, con il recettore, ne provoca l’attivazione e la conseguente traslocazione verso il nucleo cellulare fungendo come fattore di trascrizione; oppure, il recettore è addirittura nucleare, ovvero già associato al proprio promotore e si attiva solo quando legato dal proprio ligando.

In più nel mondo multicellulare, le cellule interagiscono tra di loro anche intimamente grazie alla formazioni di giunzioni cellulari, che, come emerge chiaramente dal nome, tengono unite le cellule. Vi sono diverse tipologie di giunzioni cellulari: giunzioni aderenti, giunzioni comunicanti, e le giunzioni serrate (Fig.4)

La comunicazione cellulare batterica

La comunicazione cellulare non è solo una caratteristica unica delle organismi pluricellulari. Anche i batteri praticano una forma di comunicazione basata su quelli stessi meccanismi molecolari di cui abbiamo prima discusso. Ma, mentre nelle cellule la comunicazione riguarda cellule singole, la comunicazione batterica riguarda la collettività e non il singolo batterio -almeno nella scala e le modalità con cui la collettività si organizza (organismo multicellulare e popolazione). Nel caso del mondo dei batteri, sia per i gram negativi, che per i gram positivi, la comunicazione consiste nel quorum sensing, ovvero, letteralmente, la percezione della soglia di numerosità. Tale processo dipende dalla produzione, il rilascio, l’accumulazione e il riconoscimento di molecole extracellulari chiamate auto-inducers prodotte da auto-inducers sintetasi. Questi auto-inducers possono essere delle piccole molecole o delle proteine: in tal caso vengono solitamente identificate come auto-inducer proteins (AIPs). Nel momento in cui queste molecole raggiungono una soglia critica di concentrazione a livello della popolazione, si osserva  uno switch fenotipico da un comportamento individuale a un comportamento più collettivo, attraverso cambiamenti dell’espressione genica. I vari pathway di segnalazione sono definiti da una miriade di meccanismi di feedback che regolano squisitamente l’output che scaturisce dal riconoscimento delle molecole extracellulari. Riportiamo degli esempi di circuiti di quorum sensing (Fig.5). In Vibrio Spp a una densità cellulare bassa diversi recettori fosforilano fattori che portano all’attivazione di fattori a valle regolatori che determinano un comportamento più individuale. Invece, se si ha una densità cellulare alta,  si assiste a un’attivazione funzione fosfatasica, di modo che venga meno la regolazione negativa su fattori che determinano un comportamento più collettivo. Gli autoinducers possono direttamente entrare nelle cellula e attivare fattori che determinano il medesimo effetto. In Pseudomonas Aeruginosa vi sono diversi vie di trasduzione di quorum sensing che si stimolano o inibiscono a vicenda determinando così un preciso comportamento di gruppo. Invece, in  Staphylococcus Aureus vi è una stessa cassetta genica con due promotori con due versi differenti. Un promotore promuove la produzuone di un AIP (AgrD) che viene poi riconosciuto da un recettore, possibilmente inibito da AIP di altre specie batteriche, che a sua volta fosforila un fattore di trascrizione, che induce l’espressione di RNA regolatori.

Molti tratti sono sottoposti al controllo da parte del quorum sensing, fra cui l’antibiotico resistenza, la secrezione di fattori di virulenza o la sporulazione. La sporulazione, che viene studiata nella specie modello Bacillus Subtilis, è quel meccanismo in cui i batteri passano in da uno stato attivo a uno stato dormiente, formando una struttura protettiva, chiamata spora, nel caso in cui ci si ritrova in un ambiente non favorevole. Una diminuzione della concentrazione di auto-inducers può certificare un calo della densità cellulare, dovuta a una carenza di nutrienti o condizioni avverse, che conseguentemente porta all’attivazione del programma genetico di sporulazione. Invece, durante l’infezione dell’ospite, se la concentrazione degli auto-inducers raggiunge una concentrazione critica, questo implica che i batteri sono abbastanza numerosi da poter contrastare le difese dell’ospite, di modo che possone secernere fattori di virulenza che provocano danni multisistemici nei confronti dell’ospite, come le enterotossine, le emolisine e varie tipologie di proteasi.

Il Biofilm

Questa comunicazione affascinante tra i batteri meglio emerge nei Biofilm. I biofilm sono definiti essere degli aggregati di microrganismi sessili costituiti da lunghe catene polisaccaridiche extracellulari. Ma non devono essere visti come un semplice agglomerato disorganizzato di batteri, bensì come un microambiente definito da interazioni cellulari eterogenee, definito da compartimenti ben organizzati. È equiparabile a una sorta di organizzazione superiore con proprietà  emergenti non ascrivibili al singolo batterio . I polisaccaridi, immersi nell’acqua che è la principale componente interna, vanno a formare un gel in cui sono presenti componenti solubili come le fibrille amiloidi, la cellulosa, proteine e DNA extracellulare (Fig.6). I biofilm si formano a partire dall’adesione di batteri motili, e attraverso meccanismi di quorum sensing, incominciano a secernere EPS e altre componenti organiche portando alla formazione di biofilm costituite da batteri vivi, morti, quiescenti o sporulanti. Questi biofilm, mediante la secrezione delle proteasi e di altri enzimi digestivi, che raggiungono una concentrazione critica, si dissolvono infine e il ciclo di formazione può conseguentemente ricominciare (Fig.7). Le superfici su cui si possono formare i biofilm possono essere abiotiche o biotiche.

Il biofilm e il ruolo del quorum sensing

La funzione principale svolta dal biofilm è quella di creare un habitat che fornisce protezione contro il calore, contro il sistema immunitario di organismi ospiti, contro la disidratazione e che permette l’accumulo di  nutrienti. Per l’accumulo di nutrienti in particolare i biofilm sono dotati di pori, per cui si può pensare che all’interno dei biofilm vi sia una sorta di sistema circolatorio interno.Nel suo interno vi sono complesse interazioni cellulari, fra cui addirittura scambi di elettroni grazie a ioni ferro che fanno da trasportatori di ferro. Si assistono anche a delle vere e proprie cannibalizzazioni in cui le proteasi rilasciate da batteri integri degradano i detriti dei batteri ormai morti, massimizzando in questo modo il riciclo delle sostanze nell’ambiente. Sebbene i biofilm siano composti da una singola specie, si assiste a una eterogeneità dovuta a diversi pattern di espressione genica determinati dall’azione di quelli stessi fattori prodotti nel quorum sensing. Dato che questi fattori possono interagire anche con le sostanze che definiscono l’intelaiatura della struttura stessa, vi è conseguentemente una variazione della concentrazione di queste molecole che determina a sua volta una eterogeneità fenotipica, di modo che possono stabilirsi popolazioni che secernono fattori di virulenza, popolazioni che fermentano, popolazioni che secernono proteasi o popolazioni sporulanti. Similarmente, possono formarsi altri gradienti di nutrienti, di pH e di ossigeno che a loro volta influenzano il fenotipo assunto dai batteri. Non solo, ma, ad esempio, le variazioni delle concentrazioni dei parametri citati permettono la convivenza di batteri aerobici con batteri anaerobici, per cui possono esservi biofilm composti da più specie, che possono scambiarsi prodotti metabolici (Fig. 8)

Conseguentemente i biofilm sono visti come delle comunità definite dalla cooperazione tra più specie. I biofilm sono anche la sede in cui diverse specie possono convivere, scambiando prodotti metabolici tra di essi. Il biofilm è una fortezza. La resistenza  contro gli antimicrobici, come la penicillina, la vancomicina e la streptomicina, ad esempio, può essere determinata dalle barriere fisiche formatesi a causa delle EPS. In particolare, molte cellule si ritrovano in uno stato stazionario di dormienza, impedendo l’azione di quegli antibiotici che si basano sull’exploitation del metabolismo. In più la resistenza può essere incrementata grazie ai meccanismi di scambio genico orizzontali. L’alta densità cellulare, associata a un’aumentata competenza riguardo all’incameramento di DNA esogeno e la presenza di elementi genetici mobili, fra cui i plasmidi che possono contenere geni di resistenza. In questo ambiente favorevole possono quindi verificarsi eventi di trasformazione batterica o coniugazione batterica.

EFFETTO DEI BIOFILM SULL’UOMO

In tutti gli organismi pluricellulari, compresi gli esseri umani, si assiste alla formazione di biofilm. Sebbene i biofilm siano affascinanti, essi esplicano un’attività patogenica ai danni del loro ospite, nonché, come è stato detto precedentemente, sono responsabili di resistenze contro gli antibiotici. I biofilm, infatti, sono coinvolti in numerose patologie di cui ne presentiamo alcuni esempi come le infezioni da Pseudomonas Aeruginosa nella fibrosi cistica, la formazione delle placche dentali cariogene, infezioni associate a dispositivi medici come cateteri e protesi, e infiammazioni croniche intestinali (Fig.9)

Conclusione

Abbiamo descritto la classica comunicazione cellulare degli organismi pluricellulari, con cui abbiamo una certa familiarità in quanto questo ci viene insegnato sin dalle scuole elementari. Ma questa sorta di focalizzazione solo sulle cellule eucariotiche non è correta. In questo articolo abbiamo brevemente spiegato che la nozione di comunicazione si applica anche a quelle cellule che noi crediamo sempre essere degli enti indipendenti e individuali, ovvero i batteri. Infatti, i batteri condividono i medesimi sistemi di segnalazione presenti nelle cellule eucariotiche, comunicando anch’essi tramite molecole extracellulari. E’ affascinante che anche i batteri possono formare delle strutture in cui più batteri possono suddividersi i vari compiti, con il fine di garantire la propria sopravvivenza, come se andassare a costituire un proto-organo con proprietà emergenti. Quindi, ricollengandoci al prologo di how life works, anche i batteri possono formare dei network pluricellulari, che fanno venir meno un altro luogo comune, ovvero che solo le cellule eucariotiche comunicano tra di loro.

L’esplorazione del quorum sensing e dei biofilm, quindi, ci conduce ben oltre i confini della microbiologia, per approdare a una riflessione più profonda sulla natura stessa della vita. Ci costringe a riconsiderare una delle nostre illusioni più radicate: quella dell’individuo come entità autonoma e sovrana. Se un singolo batterio, attraverso il dialogo chimico con i suoi “simili”, può dare origine a una struttura complessa e resiliente come un biofilm -una vera e propria città microbica con proprietà emergenti che il singolo non potrebbe mai possedere- allora la lezione è universale.

La natura, dal più piccolo dei microbi alle più complesse società animali, sembra porre centralmente la connessione. Ogni segnale, ogni interazione, ogni molecola scambiata tesse una rete che definisce il sistema nella sua interezza, rendendolo più forte, più adattabile, più di quanto sarebbero le sue singole parti. In un certo senso, per come la abbiamo definita, l’unità fondamentale della vita non è l’informazione in sè, ma la comunicazione stessa.

Un monito che ci ricorda come, in fondo, nessuna cellula è un isola.

Bibliografia

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2. Rutherford, S.T. and B.L. Bassler, Bacterial quorum sensing: its role in virulence and possibilities for its control. Cold Spring Harb Perspect Med, 2012. 2(11).

3. Perry, E.K. and M.W. Tan, Bacterial biofilms in the human body: prevalence and impacts on health and disease. Front Cell Infect Microbiol, 2023. 13: p. 1237164.

4. Mukherjee, S. and B.L. Bassler, Bacterial quorum sensing in complex and dynamically changing environments. Nat Rev Microbiol, 2019. 17(6): p. 371-382.

5. Flemming, H.C., et al., Biofilms: an emergent form of bacterial life. Nat Rev Microbiol, 2016. 14(9): p. 563-75.

6.  Lehninger, A.L., et al., Lehninger principles of biochemistry. Eighth edition, 2nd printing ed. 2022, New York: Macmillan International Higher Education.

7. Rubenstein, D. R., & Alcock, J. (2020). Etologia: Un approccio evolutivo (Quarta ed. italiana sull’11ª ed. americana). Zanichelli.

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