Immaginate di poter prendere una formica e farla diventare grande come un elefante. Vedreste ogni dettaglio del suo corpo, ogni sfumatura, ogni movimento. Ora, trasportate questa idea nel mondo microscopico. Un team di scienziati è riuscito a fare qualcosa di simile con i batteri: li ha ingranditi di mille volte. Non è magia, ma una tecnica ingegnosa che combina microscopia avanzata e chimica dei polimeri. Il risultato? Una visione senza precedenti del mondo batterico, capace di svelare segreti nascosti sul loro comportamento, sulla loro resistenza agli antibiotici e sulle loro strategie di sopravvivenza. Preparatevi a un viaggio incredibile nel regno dei batteri “giganti” (sarebbe meglio dire ingigantiti, ma tant’è) dove l’infinitamente piccolo diventa finalmente visibile.
La sfida di vedere l’invisibile
Come fanno i batteri, questi minuscoli organismi che ci abitano e ci circondano, a coordinare le loro attività? Come interagiscono tra loro e con l’ambiente che li circonda? Queste sono domande fondamentali per capire sia i batteri benefici che quelli dannosi, responsabili di malattie infettive. Un recente studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Science (ve lo linko qui), ha aperto nuove prospettive in questo campo, grazie a una tecnica che permette di visualizzare i batteri in modo completamente nuovo.
Jeffrey Moffitt, PhD, e i suoi colleghi del Program in Cellular and Molecular Medicine (PCMM) al Boston Children’s Hospital, hanno utilizzato una tecnica di imaging molecolare chiamata MERFISH, sviluppata in parte dallo stesso Moffitt. Questa tecnica consente di analizzare l’RNA messaggero (mRNA) all’interno di migliaia di singoli batteri contemporaneamente. Un vero e proprio censimento genetico su scala microscopica, che permette di mappare l’espressione genica in modo massiccio e di rivelare come fattori spaziali influenzino l’attivazione dei geni batterici. Un risultato mai raggiunto prima.
Batteri “giganti”: superare i limiti della microscopia tradizionale
C’era un ostacolo da superare, sulla strada di questo mega ingrandimento: l’RNA batterico, o trascrittoma batterico, è incredibilmente denso e compresso all’interno di cellule minuscole. Immaginatelo come un gomitolo intricato in una scatola da scarpe. Visualizzarlo con i microscopi tradizionali era quasi impossibile. “È stato un completo disastro, non riuscivamo a vedere nulla”, racconta Moffitt.
La soluzione è arrivata prendendo in prestito una tecnica sviluppata nel laboratorio di Ed Boyden, PhD, al MIT: la microscopia ad espansione. I ricercatori hanno inglobato i campioni batterici in un idrogel speciale, ancorando l’RNA a questa struttura gelatinosa. Poi, hanno modificato il buffer chimico nel gel, innescando un processo di espansione. Il risultato? Il campione si è gonfiato, aumentando il suo volume di 50-1000 volte. “Tutto l’RNA batterico è diventato individualmente risolvibile”, spiega Moffitt. Come se il gomitolo intricato si fosse magicamente sbrogliato, rivelando ogni singolo filo.
Cosa rivela l’espressione genica dei batteri
Fino ad ora, gli scienziati potevano studiare il comportamento batterico solo “in media”, analizzando intere popolazioni di batteri. Ma questa nuova capacità di determinare quali geni vengono attivati in singoli batteri apre prospettive inedite. Possiamo finalmente capire le interazioni batteriche a livello individuale, svelare i meccanismi della virulenza, studiare le risposte allo stress, comprendere come i batteri sviluppano resistenza agli antibiotici e come formano i biofilm, quelle comunità batteriche complesse che si formano, ad esempio, sui cateteri.
“Ora abbiamo gli strumenti per rispondere a domande affascinanti sulle interazioni ospite-microbo e microbo-microbo”, afferma entusiasta Moffitt. “Possiamo esplorare come i batteri comunicano e competono per nicchie spaziali, definire la struttura delle comunità microbiche e studiare come i batteri patogeni modificano la loro espressione genica quando infettano le cellule dei mammiferi.”
La microscopia batterica MERFISH permette anche di studiare batteri difficili da coltivare in laboratorio. “Ora non dobbiamo più coltivarli, possiamo semplicemente visualizzarli nel loro ambiente naturale”, sottolinea Moffitt. Un vantaggio enorme, considerando che la maggior parte dei batteri esistenti non sono coltivabili con le tecniche tradizionali.
Strategie di sopravvivenza svelate dai “batteri giganti”
Per dimostrare le potenzialità della tecnica, il team di Moffitt ha condotto diversi esperimenti. Ad esempio, sono riusciti a dimostrare che i singoli batteri E. coli, quando privati del glucosio, cercano di utilizzare fonti di cibo alternative una dopo l’altra, modificando la loro espressione genica in una sequenza specifica. Analizzando una serie di “istantanee” genomiche nel tempo, i ricercatori sono riusciti a ricostruire questa strategia di sopravvivenza. Un po’ come osservare un motore che passa da un carburante all’altro per continuare a funzionare.
Il team ha anche ottenuto informazioni su come i batteri organizzano il loro RNA all’interno delle cellule, un aspetto che potrebbe essere cruciale nella regolazione dell’espressione genica. Infine, hanno dimostrato che i batteri intestinali attivano geni diversi a seconda della loro posizione fisica nel colon. Un vero e proprio “codice postale” genetico, che varia a seconda del micro-ambiente in cui si trovano i batteri.
Una nuova era per la ricerca sui batteri
“Gli stessi batteri possono fare cose molto diverse in uno spazio di decine di micron”, conclude Moffitt. “Vedono ambienti diversi e rispondono in modo diverso ad essi. Era molto difficile affrontare tale variazione prima, ma ora possiamo rispondere al tipo di domande che le persone sognavano di poter fare.”
Grazie alla microscopia espansiva, si apre una nuova era per la ricerca sui batteri. Non solo potremo studiare questi microrganismi con un livello di dettaglio senza precedenti, ma potremo anche affrontare domande fondamentali sulla vita, sulla salute e sull’ambiente, con nuove armi e nuove prospettive. Un futuro microscopico, ma dalle implicazioni gigantesche.
