Una nicchia fisica simbiotica nella Drosophila melanogaster regola l'associazione stabile di un multi

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1557 (2023) Citare questo articolo

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L’intestino è continuamente invaso da diversi batteri provenienti dalla dieta e dall’ambiente, ma la composizione del microbioma è relativamente stabile nel tempo per le specie ospiti che vanno dai mammiferi agli insetti, suggerendo che fattori specifici dell’ospite possono mantenere selettivamente specie chiave di batteri. Per studiare la specificità dell'ospite, abbiamo utilizzato la Drosophila gnotobiotica, protocolli di inseguimento degli impulsi microbici e la microscopia per studiare la stabilità di diversi ceppi di batteri nell'intestino della mosca. Mostriamo che una nicchia fisica costruita dall'ospite nell'intestino anteriore lega selettivamente i batteri con specificità a livello di ceppo, stabilizzando la loro colonizzazione. I colonizzatori primari saturano la nicchia ed escludono i colonizzatori secondari dello stesso ceppo, ma la colonizzazione iniziale da parte delle specie Lactobacillus rimodella fisicamente la nicchia attraverso la produzione di una secrezione ricca di glicani per favorire la colonizzazione secondaria da parte di commensali non imparentati del genere Acetobacter. I nostri risultati forniscono un quadro meccanicistico per comprendere la creazione e la stabilità di un microbioma intestinale multispecie.

La salute dell’ospite è influenzata dalla composizione del microbioma intestinale, in particolare da quali specie e ceppi di batteri occupano l’intestino1,2,3,4,5. Il microbioma viene stabilito e mantenuto nonostante le fluttuazioni quotidiane della dieta, l’invasione di agenti patogeni6 e le interruzioni dovute agli antibiotici7. Molti batteri residenti nell'intestino si localizzano in regioni specifiche dell'intestino che corrispondono ad ambienti chimici corrispondenti al metabolismo della specie specifica8. Alcuni probiotici, in particolare le specie Lactobacillus, stabiliscono inoltre legami fisici con il muco dell'ospite, stabilizzandone la colonizzazione9,10. Con una diversità a livello di ceppo che varia da centinaia a migliaia11, resta enigmatico il modo in cui un ospite possa selezionare e mantenere un insieme specifico di ceppi. Un'ipotesi è che il mantenimento a lungo termine della dieta e delle abitudini di vita rafforzi la stabilità del microbioma12,13,14,15,16, mentre un'altra ipotesi non esclusiva è che l'ospite costruisca nicchie fisiche nell'intestino che acquisiscono e sequestrano specifici batteri simbiotici17, 18,19,20,21,22.

Il microbioma della mosca della frutta, Drosophila melanogaster, è stato studiato per oltre un secolo ed è relativamente semplice nella sua composizione rispetto al microbioma intestinale dei mammiferi23, ma il modo in cui è regolato l’assemblaggio del microbioma intestinale della mosca rimane poco chiaro. Similmente alle cripte del colon dei mammiferi, l'intestino della mosca è microaerobico e colonizzato da batteri della classe Lactobacillales e del phylum Proteobacteria22,24,25,26. Le mosche possono essere facilmente allevate prive di germi e quindi associate a ceppi batterici definiti, fornendo un elevato livello di controllo biologico27. Inoltre, il microbioma intestinale delle mosche presenta una bassa diversità, con circa 5 specie di colonizzatori stabili appartenenti a due gruppi primari: i generi Lactobacillus (phylum Firmicutes), che è stato recentemente suddiviso in Lactiplantibacillus e Levilactibacillus, e Acetobacter (classe α-Proteobatteri)26,28. . Queste specie sono facilmente coltivabili, geneticamente trattabili27 e influenzano la durata della vita, la fecondità e lo sviluppo delle mosche29,30,31,32,33,34,35. Sebbene si sia a lungo sostenuto che la colonizzazione dell'intestino delle mosche sia regolata in modo non specifico dai meccanismi di filtraggio dell'ospite, comprese le preferenze alimentari, l'immunità e la digestione, prove recenti suggeriscono che le mosche possono anche acquisire selettivamente ceppi di Lactobacillus e Acetobacter in natura24,36, e questi possono fornire nutrimento alle mosche durante la fase larvale37.

Qui scopriamo una nicchia fisica all'interno dell'intestino anteriore della Drosophila adulta che è specificamente colonizzata da ceppi selvatici di Lactobacillus e Acetobacter. Caratterizziamo la specificità spaziale della nicchia, la specificità del ceppo batterico per la colonizzazione e la stabilità della colonizzazione. Misuriamo gli effetti prioritari che regolano l’ordine in cui le specie batteriche colonizzano. Infine, misuriamo la risposta della nicchia ai colonizzatori batterici compresi i cambiamenti fisici e la glicosilazione della matrice extracellulare.