Formazione del microbioma negli alimenti fermentati 3/4 Diversificazione

Dopo la dispersione e la selezione, eccoci a parlare di diversificazione del microbioma negli alimenti fermentati. O “generazione della biodiversità”.

Nei precedenti articoli abbiamo visto le due principali forze che modellano la formazione del microbioma negli alimenti fermentati. Esistono tuttavia almeno altri due meccanismi che, con tutta probabilità, sono meno evidenti e hanno meno “spazio” nella formazione del microbiota, ma possono dare risultati molto interessanti a lungo termine.

Cosa modella la formazione del microbioma dei fermentati?

Formazione del microbioma dei fermentati

Come già accennato, questo articolo è il terzo di 4 articoli dedicati al tema. Basta cliccare sul tag, o qui, per leggere i 4 articoli man mano che li pubblicherò.

Se non l’hai già fatto, per comprendere appieno questo nuovo articolo, è fondamentale aver letto i primi due, link QUI.

Nel primo scritto, abbiamo indicato un quadro (framework) che determina la formazione del microbioma degli alimenti fermentati e che consiste di 4 principali processi:

1. Dispersione
2. Selezione
3. Diversificazione
4. Deriva (drift)

Diversificazione alla base dell’Evoluzione

La diversificazione è un fenomeno che porta naturalmente le specie (in questo caso microbiche) a diversificarsi, grazie alla mutazione genetica spontanea dei microrganismi. Quindi, la diversificazione può aggiungere una nuova diversità genetica e fenotipica a una comunità, e generalmente avviene su un arco temporale più lungo. Quando sorgono e si stabilizzano nuove mutazioni, la comunità di un alimento fermentato non riflette più la comunità di microrganismi presenti nell’ambiente, ma ne genera di “nuovi”. Perché questo accada, è necessario che trascorra del tempo, che è superiore a quello necessario per produrre un lotto di alimento fermentato. Durante questo periodo, si generano casualmente delle nuove varianti grazie alle mutazioni, che possono avere un tasso più o meno alto. Più è alto il tasso di mutazione, più diversità si genera. Fra tutte le varianti di microbi generate, successivamente verranno selezionate (quindi scelte) le più adatte all’ambiente.

La diversificazione è il motore che arricchisce la biodiversità

L’evoluzione non ha una “direzione” o una volontà nel migliorare gli organismi; quindi, non li spinge a mutare consapevolmente in una versione migliore. Sembra un concetto ovvio, ma spesso viene sottovalutato. L’evoluzione pratica una selezione sulla diversità a disposizione, che si genera in modo del tutto casuale. A partire da un pool di varianti che si sono generate, la selezione premierà quelle più adatte, eliminando le altre. Citando un famoso esempio: le giraffe non allungano il collo volontariamente per arrivare a mangiare le foglie sugli alberi più alti. Al contrario: nella popolazione di giraffe ci sono alcune col collo più alto, di origine del tutto casuale, e quando gli alberi diventano più alti, allora queste vengono premiate (sopravvivono) e le altre con il collo corto muoiono. Quindi si riproducono solo quelle col collo alto e la dimensione media del collo della popolazione cambia, aumentando.

Backslopping e diversificazione

Come detto sopra, la diversificazione difficilmente avviene in un unico ciclo di produzione, ma piuttosto durante una serie di cicli ripetuti. Molte comunità microbiche degli alimenti fermentati vengono usate nei lotti successivi sottoforma di inoculo (backslopping), consentendo una continuità di ceppi microbici. Ad esempio, il lievito madre per il pane, viene mantenuto per mesi o anni, rinfrescando ripetutamente i nutrienti dell’impasto con farina fresca.

Questa rigenerazione ricorrente dell’intera comunità microbica è una pratica comune in vari altri fermenti, come il kombucha, il kefir, l’aceto e molti altri. Fra i più conosciuti, c’è il kombucha, dove addirittura sono state descritte per la prima volta delle nuove specie microbiche presenti solo in questo fermentato. Rigenerando costantemente la stessa comunità microbica si può creare una diversificazione a lungo termine, che ha portato alla creazione di nuove specie, che sono particolarmente adatte a quell’ambiente dove si ripetono i cicli.

Per ottenere una diversificazione è necessario mantenere stabilità per lungo tempo

Impatto degli ambienti stabili

La crescita delle popolazioni microbiche in ambienti relativamente stabili e con abbondanti risorse crea il potenziale affinché i microrganismi si adattino al substrato alimentare fermentato, e questo potrebbe aver svolto un ruolo fondamentale nella domesticazione di numerosi microrganismi utilizzati nella fermentazione. Ci sono molti esempi di ceppi che si sono evoluti nell’ambiente e poi si è cercato di mantenerli stabili in ambienti controllati (dall’uomo). Uno su tutti è sicuramente il koji, se non sai di cosa si tratta leggi l’articolo specifico, clicca QUI. Nel koji è coinvolto un ceppo di muffa Aspergillus oryzae (e simili) che si è differenziato da altre specie simili, poiché non produce tossine pericolose per l’uomo. Si tratta di un Aspergillus “buono”. Questo ha fatto sì che le popolazioni asiatiche che l’hanno scoperto per prime, iniziassero a usarlo in maniera controllata, cercando di mantenere la muffa invariata.

Mantenere uno starter stabile come quello per il koji è molto complesso. Per questo, è fortemente sconsigliato autoprodursi le spore in ambiente casalingo, dove non si hanno i mezzi per verificare che non ci siano state contaminazioni o non si producano ceppi strani per mutazioni spontanee.

Osservazione della diversificazione

Un approccio ampiamente utilizzato per studiare la diversificazione consiste nel misurare la diversità genomica e fenotipica dei ceppi all’interno di una specie microbica e correlarla con le proprietà abiotiche dell’ambiente degli alimenti fermentati.

Questi studi comparativi genomici e fenotipici hanno dimostrato i tratti chiave che hanno permesso a ciascuna di queste specie di prosperare nei substrati alimentari fermentati, rivelando che la diversificazione è avvenuta, ma non spiegano gli specifici meccanismi ecologici o evolutivi che hanno facilitato il processo di diversificazione.

Tuttavia, i nuovi ceppi meglio adattati a un substrato hanno probabilità di superare i loro progenitori. L’osservazione della diversificazione è in grado di evidenziare la selezione sottoforma di perdita o guadagno di tratti.

Uno lavoro sperimentale su Penicillium per formaggi a crosta fiorita ha osservato una rapida perdita di molti tratti (produzione di tossine, produzione di pigmenti, sporulazione) in un ceppo di P. biforme, quando è stato ripetutamente sottoposto a inoculo sul formaggio ¹. Questo processo di evoluzione sperimentale imita la prevista domesticazione delle muffe utilizzate nella produzione di Camembert e ha rivelato meccanismi metabolici che potrebbero spiegare l’adattamento fungino all’ambiente del formaggio.

Diversificazione dell’ecosistema

Mentre la maggior parte del lavoro sulla diversificazione nei fermentati ha studiato singole specie microbiche in isolamento, le specie all’interno di una comunità evolvono nel contesto l’una dell’altra. Le mutazioni che persistono durante l’evoluzione delle specie dipendono dagli effetti degli altri membri della comunità. Esponendo le comunità a substrati o combinazioni di ceppi nuovi che hanno avuto origine da prodotti diversi, gli esperimenti di co-evoluzione dell’intera comunità hanno il potenziale per rivelare come avviene la diversificazione all’interno degli alimenti fermentati a livello di comunità.

L’altro aspetto in gran parte inesplorato nella diversificazione dei microbi degli alimenti fermentati è come questa diversificazione possa influire sulla formazione del microbioma. La maggior parte degli studi in questo campo si è concentrata sull’evoluzione di una singola specie e su come l’adattamento impatti i tratti di quella specie. La comunità scientifica (ad oggi, dicembre 2023) non è a conoscenza di come i cambiamenti genetici e fenotipici derivanti dalla diversificazione possano avere impatti ecologici sulla formazione del microbioma. Un recente studio ha dimostrato come la diversificazione in situ delle comunità della crosta di formaggio possa influenzare la formazione e la funzione del microbioma ². Gli studiosi hanno isolato le stesse tre specie batteriche da nove formaggi a crosta naturale isolati geograficamente, e quando hanno assemblato queste nove comunità batteriche su un substrato da laboratorio standard, hanno osservato composizioni comunitarie e funzioni divergenti, nonostante condizioni iniziali identiche. Questo dimostra che le comunità di microrganismi identiche, possono cambiare nelle loro dinamiche di formazione dell’ecosistema in diversi ambienti di produzione di alimenti fermentati. Questo influenza anche l’aspetto finale e la qualità del fermentato.

Diversificazione come motore del patrimonio gastronomico e strumento di resistenza

Numerosi studi hanno rivelato una vasta diversità di ceppi all’interno di microrganismi fermentativi diffusi come Saccharomyces cerevisiae ³, Penicillium roqueforti, Penicillium camemberti ⁴, Debaryomyces hansenii, Aspergillus oryzae ⁵, Lactiplantibacillus plantarum ⁶, Fructilactobacillus sanfranciscensis ⁷ e molti altri.

Ogni ambiente può produrre una diversificazione su ceppi originalmente identici fra loro in giro per il mondo. Ciò significa che la nuova comunità di microrganismi che si crea in un determinato ambiente, è unica al mondo e produce un alimento fermentato che avrà aspetto e sapore “identitario”, distinguibile da qualunque altro prodotto simile al mondo. Una sorta di DOP della comunità microbica.

Pensate al valore gastronomico, culturale e perfino economico, di un alimento fermentato che si può ottenere solo se si produce in un determinato luogo, poiché solo lì si è creata una specifica comunità di microrganismi in grado di portare avanti la fermentazione in un determinato modo. Pur non avendo idea di come questa comunità si sia creata, permette a chi lo produce di rappresentare un’eccellenza, non replicabile dall’industria alimentare che basa tutto sulla standardizzazione attraverso l’implementazione degli standard.

Dobbiamo proteggere questi patrimoni fermentativi-gastronomici, poiché rappresentano l’ultimo strumento di Resistenza contro la depersonalizzazione e la standardizzazione dei sapori e processi produttivi portati avanti dalla grande industria alimentare.

La fermentazione naturale spontanea è uno strumento fondamentale di resistenza sociale nel contesto della cultura alimentare.

Viva i fermentati, Viva la Resistenza alimentare!

Nel prossimo, e ultimo sul tema, articolo parlerò di “Deriva (Drift)” e i fattori che influenzano questa fase.

1. Bodinaku I, Shaffer J, Connors AB, Steenwyk JL, Biango-Daniels MN, et al. 2019. Rapid phenotypic and metabolomic domestication of wild penicillium molds on cheese. mBio 10(5):e02445-19
2. Niccum BA, Kastman EK, Kfoury N, Robbat AJr., Wolfe BE. 2020.Strainlevel diversity impacts cheese rind microbiome assembly and function. mSystems 5(3):e00149-20
3. Gallone, B., Steensels, J., Prahl, T., Soriaga, L., Saels, V., Herrera-Malaver, B., … & Verstrepen, K. J. (2016). Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts. Cell, 166(6), 1397-1410.
4. Ropars, J., Didiot, E., de La Vega, R. C. R., Bennetot, B., Coton, M., Poirier, E., … & Giraud, T. (2020). Domestication of the emblematic white cheese-making fungus Penicillium camemberti and its diversification into two varieties. Current Biology, 30(22), 4441-4453.
5. Gibbons, J. G., Salichos, L., Slot, J. C., Rinker, D. C., McGary, K. L., King, J. G., … & Rokas, A. (2012). The evolutionary imprint of domestication on genome variation and function of the filamentous fungus Aspergillus oryzae. Current Biology, 22(15), 1403-1409.
6. Siezen, R. J., Tzeneva, V. A., Castioni, A., Wels, M., Phan, H. T., Rademaker, J. L., … & van Hylckama Vlieg, J. E. (2010). Phenotypic and genomic diversity of Lactobacillus plantarum strains isolated from various environmental niches. Environmental microbiology, 12(3), 758-773.
7. Rogalski, E., Ehrmann, M. A., & Vogel, R. F. (2021). Intraspecies diversity and genome-phenotype-associations in Fructilactobacillus sanfranciscensis. Microbiological Research, 243, 126625.