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Nature Communications volume 14, numero articolo: 3165 (2023) Citare questo articolo

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L’alimentazione incrociata metabolica svolge un ruolo vitale nel promuovere la diversità ecologica. Mentre alcuni microbi dipendono dagli scambi di nutrienti essenziali per la crescita, le forze che guidano l’ampio incrocio necessario per supportare la coesistenza di microbi a vita libera sono poco conosciute. Qui caratterizziamo la fisiologia batterica in fase di autoacidificazione e stabiliamo che l'estesa escrezione di metaboliti chiave in seguito all'arresto della crescita fornisce un meccanismo collaborativo e inter-specie di resistenza allo stress. Questa collaborazione avviene non solo tra specie isolate dalla stessa comunità, ma anche tra specie non imparentate con modalità di metabolismo complementari (glicolitica vs. gluconeogenica). Le culture di tali comunità progrediscono attraverso fasi distinte di cicli di crescita-diluizione, comprendenti crescita esponenziale, arresto della crescita innescato dall'acidificazione, deacidificazione collaborativa e recupero della crescita, con ciascuna fase che coinvolge diverse combinazioni di stati fisiologici delle singole specie. I nostri risultati mettono in discussione la visione dello stato stazionario degli ecosistemi comunemente rappresentata nei modelli ecologici, offrendo una visione dinamica alternativa basata sui vantaggi di crescita di specie complementari in diverse fasi.

L'alimentazione incrociata metabolica è alla base di molte interazioni positive tra i microbi1,2,3. Molti esempi ben studiati di alimentazione incrociata coinvolgono specie che dipendono l'una dall'altra per funzioni metaboliche essenziali, inclusa l'auxotrofia complementare sintetica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 e l'alimentazione incrociata designata tra simbionti14,15. La forza trainante della cooperazione metabolica tra questi batteri interdipendenti è chiara poiché non hanno la capacità di generare da soli metaboliti essenziali e devono ottenerli da altre specie per crescere.

Molti batteri in natura, tuttavia, sono prototrofi o “a vita libera”, ovvero possono crescere su substrati semplici senza l’aiuto di altri16,17. Studi recenti hanno indicato che un sostanziale incrocio di diversi metaboliti ha supportato la coesistenza di molte specie di batteri a vita libera presenti in natura, anche in comunità batteriche sintetiche dotate solo di uno o pochi substrati per la crescita18,19,20. In questi casi, l’alimentazione incrociata metabolica è riconosciuta come essenziale per la diversità della comunità, poiché senza di essa tutte le specie competerebbero direttamente per i pochi nutrienti forniti dall’esterno e solo poche specie che crescono bene con tali nutrienti sopravviverebbero secondo il Principio di esclusione competitiva21. ,22. Tuttavia, affinché l’alimentazione incrociata metabolica possa alleviare il vincolo dell’esclusione competitiva, una parte sostanziale dei nutrienti forniti dall’esterno dovrà essere espulsa sotto forma di altri metaboliti e successivamente assorbita da altre specie per la loro crescita. Ad esempio, se il 50% della biomassa finale della comunità è costituita da specie che non consumano direttamente la fonte di carbonio fornita dall’ambiente, ciò richiederebbe che la specie che consuma direttamente la fonte di carbonio fornita elimini più del 50% di ciò che assorbe. Tuttavia, se il carbonio è il nutriente che limita la crescita di questa comunità, quale logica fisiologica esiste per cui i batteri a vita libera espellono una frazione così grande di questo nutriente limitante quando ne hanno bisogno per la propria crescita?

I batteri a vita libera possono essere costretti a espellere grandi quantità di metaboliti, ad esempio attraverso colli di bottiglia interni creati da manipolazioni genetiche23, la cui progettazione e raggiungimento è un obiettivo importante della biologia di sintesi24,25,26. Generalmente non è noto che i batteri a vita libera presenti in natura espellono grandi quantità di metaboliti endogeni durante la propria crescita; tuttavia, ad eccezione di alcuni casi ben documentati, tra cui il metabolismo in eccesso durante la fermentazione aerobica27,28,29, l'escrezione di nitrati/nitriti durante la denitrificazione anaerobica30,31 e le complesse cascate di rimozione dei prodotti di fermentazione nei digestori anaerobici32,33. Anche in questi casi, le quantità di escrezione misurate non sono schiaccianti. Ad esempio, per l'E. coli che cresce aerobicamente su glucosio, vengono assorbiti ~ 5 mM/OD di glucosio mentre vengono escreti ~ 2–3 mM/OD di acetato, posizionando la frazione di carbonio escreto al di sotto del 20%. La prevalenza dell'incrocio metabolico tra batteri a vita libera suggerisce quindi l'esistenza di ulteriori forze trainanti di cui attualmente sappiamo poco.