La ricerca fornisce risposte al mistero di lunga data delle spore batteriche, illuminando nuovi percorsi per la prevenzione delle malattie — ScienceDaily

Si scopre che questi sensori fungono anche da canali attraverso la membrana e rimangono chiusi durante la dormienza ma si aprono rapidamente quando rilevano i nutrienti. Una volta aperti, i canali consentono agli ioni caricati elettricamente di fluire attraverso la membrana cellulare, mettendo in moto lo spargimento di strati protettivi di spore e l’attivazione di processi metabolici dopo anni – o addirittura secoli – di dormienza.

I risultati del team, pubblicati il ​​28 aprile in Scienzapotrebbe aiutare a informare la progettazione di modi per impedire che pericolose spore batteriche rimangano dormienti per mesi, persino anni, prima di svegliarsi di nuovo e causare focolai.

“Questa scoperta risolve un enigma che ha più di un secolo”, ha detto l’autore senior dello studio David Rudner, professore di microbiologia presso l’Istituto Blavatnik dell’HMS. “In che modo i batteri percepiscono i cambiamenti nel loro ambiente e agiscono per uscire dalla dormienza quando i loro sistemi sono quasi completamente spenti all’interno di un involucro protettivo?”

Come i batteri dormienti tornano in vita

Per sopravvivere a condizioni ambientali avverse, alcuni batteri vanno in letargo e diventano spore, con processi biologici sospesi e strati di armatura protettiva attorno alla cellula.

Queste mini fortezze biologicamente inerti consentono ai batteri di attendere i periodi di carestia e di proteggersi dalle devastazioni del caldo estremo, periodi di siccità, radiazioni UV, sostanze chimiche aggressive e antibiotici.

Da più di un secolo, gli scienziati sanno che quando le spore rilevano i nutrienti nel loro ambiente, perdono rapidamente i loro strati protettivi e riaccendono i loro motori metabolici. Sebbene il sensore che consente loro di rilevare i nutrienti sia stato scoperto quasi 50 anni fa, i mezzi per fornire il segnale di risveglio e il modo in cui quel segnale innesca la rinascita batterica è rimasto un mistero.

Nella maggior parte dei casi, la segnalazione si basa sull’attività metabolica e spesso coinvolge i geni che codificano le proteine ​​per produrre specifiche molecole di segnalazione. Tuttavia, questi processi sono tutti disattivati ​​all’interno di un batterio dormiente, sollevando la questione di come il segnale induca i batteri dormienti a svegliarsi.

In questo studio, Rudner e il team hanno scoperto che il sensore di nutrienti stesso si assembla in un condotto che apre la cella per il business. In risposta ai nutrienti, il condotto, un canale della membrana, si apre, consentendo agli ioni di fuoriuscire dall’interno delle spore. Ciò avvia una cascata di reazioni che consentono alla cellula dormiente di abbandonare la sua armatura protettiva e riprendere la crescita.

Gli scienziati hanno utilizzato più strade per seguire i colpi di scena del mistero. Hanno utilizzato strumenti di intelligenza artificiale per prevedere la struttura del complesso di sensori ripiegato in modo intricato, una struttura composta da cinque copie della stessa proteina del sensore. Hanno applicato l’apprendimento automatico per identificare le interazioni tra le subunità che compongono il canale. Hanno anche usato tecniche di modifica genetica per indurre i batteri a produrre sensori mutanti come un modo per testare come le previsioni basate sul computer si sono svolte nelle cellule viventi.

“La cosa che amo della scienza è quando fai una scoperta e improvvisamente tutte queste osservazioni disparate che non hanno senso improvvisamente vanno a posto”, ha detto Rudner. “È come se stessi lavorando su un puzzle, e scopri dove va un pezzo e all’improvviso puoi inserire altri sei pezzi molto velocemente.”

Rudner ha descritto il processo di scoperta in questo caso come una serie di osservazioni confuse che lentamente hanno preso forma, grazie a un team di ricercatori con diverse prospettive che lavorano insieme in sinergia.

Lungo la strada, continuavano a fare osservazioni sorprendenti che li confondevano, suggerimenti che suggerivano risposte che non sembravano poter essere vere.

Cucire insieme gli indizi

Un primo indizio è emerso quando Yongqiang Gao, un ricercatore HMS nel laboratorio Rudner, stava conducendo una serie di esperimenti con il microbo bacillo subtilis, si trova comunemente nel suolo e un cugino del batterio che causa l’antrace. Gao ha introdotto i geni di altri batteri che formano le spore B. subtilis per esplorare l’idea che le proteine ​​non corrispondenti prodotte interferirebbero con la germinazione. Con sua grande sorpresa, Gao scoprì che in alcuni casi le spore batteriche si risvegliavano perfettamente con un insieme di proteine ​​di un batterio lontanamente imparentato.

Lior Artzi, un borsista post-dottorato in laboratorio al momento di questa ricerca, ha fornito una spiegazione per la scoperta di Gao. E se il sensore fosse una specie di recettore che si comporta come un cancello chiuso finché non rileva un segnale, in questo caso un nutriente come uno zucchero o un amminoacido? Una volta che il sensore si lega al nutriente, il cancello si apre, consentendo agli ioni di fuoriuscire dalla spora.

In altre parole, le proteine ​​di batteri lontanamente imparentati non avrebbero bisogno di interagire con non corrispondenti B. subtilis proteine ​​delle spore, ma invece rispondono semplicemente ai cambiamenti nello stato elettrico della spora quando gli ioni iniziano a fluire.

Rudner inizialmente era scettico su questa ipotesi perché il recettore non si adattava al profilo. Non aveva quasi nessuna delle caratteristiche di un canale ionico. Ma Artzi ha sostenuto che il sensore potrebbe essere costituito da più copie della subunità che lavorano insieme in una struttura più complessa.

AI è entrato nella chat

Un altro postdoc, Jeremy Amon, uno dei primi utilizzatori di AlphaFold, uno strumento di intelligenza artificiale in grado di prevedere la struttura delle proteine ​​e dei complessi proteici, stava anche studiando la germinazione delle spore ed era pronto a studiare il sensore dei nutrienti.

Lo strumento ha predetto che una particolare subunità del recettore si assembla in un anello di cinque unità noto come pentamero. La struttura prevista includeva un canale nel mezzo che poteva consentire agli ioni di passare attraverso la membrana della spora. La previsione dello strumento di intelligenza artificiale era proprio ciò che Artzi aveva sospettato.

Gao, Artzi e Amon si sono quindi uniti per testare il modello generato dall’intelligenza artificiale. Hanno lavorato a stretto contatto con un terzo postdoc, Fernando Ramírez-Guadiana e i gruppi di Andrew Kruse, professore di chimica biologica e farmacologia molecolare presso l’HMS, e la biologa computazionale Deborah Marks, professore associato di biologia dei sistemi presso l’HMS.

Hanno ingegnerizzato le spore con subunità del recettore alterate previste per allargare il canale della membrana e hanno scoperto che le spore si risvegliavano in assenza di segnali nutritivi. D’altra parte, hanno generato subunità mutanti che, secondo loro, avrebbero ridotto l’apertura del canale. Queste spore non sono riuscite ad aprire il cancello per rilasciare ioni e risvegliarsi dalla stasi in presenza di abbondanti nutrienti per convincerli a uscire dalla dormienza.

In altre parole, una leggera deviazione dalla configurazione prevista del complesso piegato potrebbe lasciare il cancello bloccato aperto o chiuso, rendendolo inutile come strumento per svegliare i batteri dormienti.

Implicazioni per la salute umana e la sicurezza alimentare

Capire come i batteri dormienti tornano in vita non è solo un enigma intellettualmente allettante, ha detto Rudner, ma ha importanti implicazioni per la salute umana. Un certo numero di batteri che sono in grado di entrare in una profonda dormienza per lunghi periodi di tempo sono agenti patogeni pericolosi, persino mortali: la forma bianca polverosa dell’antrace armato è composta da spore batteriche.

Un altro pericoloso patogeno sporigeno è Clostridioides difficile, che provoca diarrea e colite pericolose per la vita. Malattia da C. difficile in genere si verifica dopo l’uso di antibiotici che uccidono molti batteri intestinali ma sono inutili contro le spore dormienti. Dopo il trattamento, C. difficile si risveglia dalla dormienza e può fiorire, spesso con conseguenze catastrofiche.

L’eradicazione delle spore è anche una sfida centrale negli impianti di trasformazione alimentare perché i batteri dormienti possono resistere alla sterilizzazione grazie alla loro armatura protettiva e allo stato disidratato. Se la sterilizzazione non ha successo, la germinazione e la crescita possono causare gravi malattie di origine alimentare e ingenti perdite finanziarie.

Comprendere come le spore percepiscono i nutrienti e escono rapidamente dalla dormienza può consentire ai ricercatori di sviluppare modi per innescare la germinazione in anticipo, rendendo possibile la sterilizzazione dei batteri o bloccando la germinazione, mantenendo i batteri intrappolati all’interno dei loro gusci protettivi, incapaci di crescere, riprodursi e rovinare il cibo o causare malattie.

Paternità, finanziamento, divulgazione

Altri autori includono Kelly Brock e Joshua Cofsky, di HMS.

Il supporto per questo lavoro proviene dalle sovvenzioni del National Institutes of Health GM086466, GM127399, GM122512, AI171308 (DZR), AI164647 (DZR, ACK, DSM) e dai fondi della Harvard Medical School Dean’s Initiative. Amon è stato finanziato dalla sovvenzione F32GM130003 del National Institutes of Health. Artzi è stato membro della Simons Foundation della Life Sciences Research Foundation.