L'identificazione e il monitoraggio degli elementi mobili nelle comunità di compost in evoluzione forniscono informazioni dettagliate sul nanobioma

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 90 (2023) Citare questo articolo

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L’evoluzione microbica è guidata da rapidi cambiamenti nel contenuto genetico mediati dal trasferimento genico orizzontale (HGT). Sebbene gli elementi genetici mobili (MGE) siano importanti motori del flusso genetico, il nanobioma – lo zoo di replicatori darwiniani che dipendono da ospiti microbici – rimane scarsamente caratterizzato. Sono necessari nuovi approcci per aumentare la nostra comprensione oltre gli MGE che modellano le singole popolazioni, verso il loro impatto su comunità microbiche complesse. È stata sviluppata una pipeline bioinformatica (xenoseq) per confrontare campioni metagenomici provenienti da consorzi microbici che si evolvono in parallelo, volta a identificare la diffusione di MGE, che è stata applicata alle comunità di compost sottoposte a miscelazione periodica di MGE. Mostriamo che xenoseq può distinguere il movimento di MGE dai cambiamenti demografici nella composizione della comunità che altrimenti confonderebbero l'identificazione, e inoltre dimostrerebbero la scoperta di varie entità inaspettate. Di particolare interesse è stato un nanobatterio del phylum candidato alle radiazioni (CPR), che è strettamente correlato a una specie identificata negli ecosistemi delle acque sotterranee (Candidatus Saccharibacterium) e sembra avere uno stile di vita parassitario. Evidenziamo anche un altro elemento mobile prolifico, un plasmide da 313 kb ospitato da un lignaggio Cellvibrio. Si prevedeva che l'ospite fosse capace di fissazione dell'azoto e l'acquisizione del plasmide coincide con un aumento della produzione di ammoniaca. Nel loro insieme, i nostri dati mostrano che nuove strategie sperimentali combinate con analisi bioinformatiche di dati metagenomici possono fornire informazioni sul nanobioma come motore dell’evoluzione della comunità microbica.

Il trasferimento genico orizzontale (HGT) può influenzare notevolmente il destino evolutivo dei microbi [1,2,3]. Oltre alla trasformazione – in cui i batteri assorbono direttamente il DNA ambientale – tutto il movimento orizzontale del materiale genetico è catalizzato da elementi genetici mobili (MGE), entità darwiniane con dinamiche proprie [4]. Nel secolo scorso è stata osservata una molteplicità di MGE, che vanno dai batteriofagi chiaramente parassiti [5,6,7,8,9] e trasposoni [10,11,12], ai plasmidi [13,14,15] e ai ed elementi coniugativi (ICE) [16,17,18,19]. Più recentemente, nuovi elementi mobili sono stati scoperti in tutto il mondo microbico, come i REPIN [20, 21], le astronavi [22] e i Borg [23], e persino interi cromosomi fungini sembrano essere in movimento [24,25 ,26].

La relazione tra MGE e host è complessa, in continua evoluzione e altamente dipendente dal contesto. Ad esempio, sebbene gli elementi coniugativi siano tipicamente benigni, possono anche promuovere l’autosopravvivenza a spese degli ospiti [19, 27]. Allo stesso modo, sebbene i batteriofagi siano tipicamente predatori o parassiti, possono essere cooptati a beneficio degli ospiti [5, 28,29,30]. Inoltre, le MGE possono ricombinarsi tra loro o parassitare altri elementi mobili [31,32,33,34,35]. Presi insieme, questi processi possono essere fondamentali per la nostra comprensione delle comunità microbiche come raccolte di geni localmente adattati, piuttosto che come specie adattate localmente [36, 37]. Mentre la portata e la portata del flusso di DNA attraverso le comunità microbiche tramite MGE sono attualmente poco conosciute, lavori recenti suggeriscono che il flusso potrebbe essere altamente significativo anche nella misura in cui definisce e guida un processo a livello di comunità con effetti simili al sesso all’interno delle popolazioni. 38, 39].

Oltre a spostare i geni necessari per l'autoreplicazione e la trasmissione, le MGE spesso mediano il trasferimento dei geni dell'ospite a cui si legano. Sia per progettazione che per caso, le MGE che acquisiscono geni che migliorano la forma fisica dell'ospite rischiano di essere rapidamente amplificate dalla selezione con geni catturati ampiamente diffusi. A volte gli effetti possono essere molto consequenziali, ad esempio, il movimento di ICE che trasportano geni per la nodulazione e la fissazione dell'azoto converte la rizobia non simbiotica in simbionti vegetali in un unico passaggio [40, 41]. Gli ICE sono stati identificati anche osservando il movimento dei geni di resistenza agli antimicrobici [42, 43] e ai metalli pesanti [18]. Tuttavia, tali percorsi di scoperta dipendono sia dalla capacità di coltivare i microbi focali sia dal trasporto di tratti fenotipici selezionabili.