Il microbiota modula il comportamento alimentare in Drosophila

L’assenza degli aminoacidi essenziali influenza la dieta e la capacità riproduttiva di Drosophila melanogaster; tuttavia la presenza dei batteri commensali Acetobacter pomorum e Lactobacilli ne compensa l’effetto

Gli aminoacidi, molecole organiche contenenti azoto, svolgono un ruolo fondamentale negli organismi, giacché sono le unità costitutive delle proteine; alcuni di essi devono essere introdotti con la dieta e sono detti essenziali, mentre quelli non essenziali possono essere sintetizzati dall’organismo stesso. Se la presenza di aminoacidi è necessaria, un loro eccesso può tuttavia essere dannoso; per questo motivo, molti animali mantengono una precisa omeostasi proteica i cui meccanismi però non sono ancora ben conosciuti. E’ stato ipotizzato che il microbiota possa avere un ruolo fondamentale in questo processo, tuttavia la ricerca è stata finora limitata prevalentemente al ruolo dei batteri nell’omeostasi dei carboidrati. Ora un nuovo studio condotto sulla specie Drosophila melanogaster individua in alcune specie batteriche un fattore fondamentale nella regolazione dell’apporto proteico di questi moscerini.

Il lievito è un alimento che si ritiene possa coprire le necessità proteiche della Drosophila: quando è eliminato dalla dieta, il moscerino manifesta verso di esso un forte appetito compensatorio insieme con un consistente calo nella deposizione di uova. Tuttavia il lievito è un alimento complesso, che contiene diversi nutrienti oltre agli aminoacidi, tra cui carboidrati, vitamine e steroli. Per questo i ricercatori si sono serviti di una dieta artificiale olidica, di cui cioè è perfettamente nota la composizione chimica, in modo da poterne variare a piacere la composizione per verificare quale fosse il nutriente la cui mancanza scatenava l’appetito compensatorio. In questo modo, gli studiosi hanno scoperto che è sufficiente l’eliminazione di un qualunque singolo aminoacido essenziale per aumentare l’appetito di lievito, ovviamente a parità di azoto nella dieta.

I moscerini utilizzati negli esperimenti erano dotati di una bassa carica microbica intestinale; per verificare se la presenza di batteri commensali influenzasse la scelta dei nutrienti, i ricercatori hanno utilizzato moscerini trattati con un microbiota controllato, contenente cinque ceppi di batteri intestinali commensali. Si è così riscontrato che, rispetto ai precedenti, in questi moscerini era eliminato l’aumentato appetito di lievito e ristabilito il normale tasso di deposizione di uova. La presenza di batteri commensali permette dunque di compensare l’assenza degli aminoacidi. Per capire se questo risultato fosse dovuto a un particolare ceppo batterico, i ricercatori hanno usato moscerini gnotobiotici, di cui cioè era nota la composizione microbica intestinale. In questo modo hanno potuto appurare che l’effetto era dovuto all’azione cooperativa di Acetobacter pomorum e due specie di Lactobacilli. E’ stato anche possibile dimostrare che i moscerini sono in grado di riconoscere le sorgenti di cibo che contengono batteri commensali e mostrano di preferirle a quelle che ne sono prive.

Poiché l’eliminazione dalla dieta di aminoacidi non essenziali non aumentava l’appetito di lievito, i ricercatori hanno reso essenziale un aminoacido spegnendo il gene Henna, che nella Drosophila codifica per un enzima che trasforma la fenilalanina in tirosina. In questi animali geneticamente modificati, l’eliminazione dell’aminoacido tirosina dalla dieta ha portato a un forte aumento dell’appetito per il lievito, dimostrando perciò che i moscerini possono riconoscere l’assenza di un aminoacido mancante, indipendentemente dalla sua specifica identità.

Una sorpresa attendeva però i ricercatori quando hanno sperimentato l’effetto dei batteri commensali sui moscerini resi auxotrofici per la tirosina e deprivati di tale nutriente. Essi si aspettavano che anche in questo caso sarebbe calato l’appetito di lievito, ma così non è stato: dunque i batteri commensali compensano l’assenza di aminoacidi, ma solo di quelli essenziali.

Ma come fanno i commensali a modificare l’appetito di lievito e aumentare la deposizione delle uova? Un’ipotesi plausibile era che i batteri stessi fossero utilizzati come fonti di aminoacidi, tuttavia la loro presenza non cambiava significativamente il livello degli aminoacidi nell’organismo. Inoltre, batteri inattivati non portavano alcun cambiamento, mostrando che essi devono essere metabolicamente attivi per influenzare il comportamento dell’ospite. Si può dunque supporre che i batteri agiscano attraverso un meccanismo diverso; ad esempio, potrebbero secernere metaboliti che aumentano l’abilità dell’ospite di usare gli aminoacidi rimasti.

Un altro problema da indagare riguarda il modo in cui i moscerini avvertono la mancanza di aminoacidi e i meccanismi che permettono loro di incrementarne l’assunzione. La concentrazione di aminoacidi cala drasticamente nella testa della Drosophila dopo l’eliminazione dalla dieta, quindi si potrebbe supporre che il cervello ne rilevi la variazione; un meccanismo alternativo o concomitante potrebbe essere la ricezione di un segnale inviato dai tessuti periferici. Qualunque sia il meccanismo percettivo, esso deve essere in grado di rilevare l’assenza di qualunque aminoacido, come dimostrato dai moscerini modificati geneticamente.

Per rispondere a tali quesiti saranno necessari successivi studi genetici e comportamentali, a livello sia dell’ospite sia del suo microbiota. Per ora si può concludere che l’interazione tra i batteri e ospite appare essere mutualistica, avendo un duplice impatto benefico sui moscerini: ne aumenta la fertilità, compensando il calo nella deposizione di uova; mentre la riduzione nell’assunzione di lievito e aminoacidi porta a un aumento nella durata della vita dell’insetto. Inoltre, la capacità dei moscerini di scegliere le fonti alimentari contenenti commensali suggerisce che essi possano attivamente modulare la composizione del microbiota, estendendo e adattando il proprio repertorio metabolico. Quest’abilità potrebbe in parte spiegare il successo adattivo di Drosophila in un’ampia gamma di habitat.


Riferimenti
Leitão-Gonçalves R, Carvalho-Santos Z, Francisco AP, Fioreze GT, Anjos M, Baltazar C, et al. (2017) Commensal bacteria and essential aminoacids control food choice behavior and reproduction. PLoS Biol 15(4): e2000862. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2000862

Immagine: Géry Parent Drosophila melanogaster ♀ Melgen, 1830 – ≈ 2 mm, Drosera capensis Linnaeus, 1753 Licenza CC BY-ND 2.0 https://goo.gl/ZwnDEE