Viruscome i cattivi dei film, operano in due modi: rilassati o uccidi.
Ricerca in un laboratorio biomedico – foto illustrativa. Credito immagine: CDC
Possono nascondersi, infiltrandosi silenziosamente nelle difese del corpo, o andare all’attacco, creando molte copie di se stesse che esplodono fuori dal nascondiglio e sparano in tutte le direzioni.
Gli attacchi virali sono quasi sempre missioni suicide, che distruggono la cellula da cui dipendeva il virus. L’attacco può avere successo solo se è presente un numero sufficiente di altre cellule sane da infettare con i nuovi virus emergenti.
Se la raffica di particelle virali non colpisce nulla, il virus non può sostenersi. Non muore, dal momento che i virus non sono tecnicamente vivi, ma cessa di funzionare.
Virus – resa artistica. Credito immagine: Max Pixel, dominio pubblico CC0
Quindi, per i virus, la sfida principale è decidere quando passare dalla modalità chill alla modalità kill.
Quattro anni fa, La biologa di Princeton Bonnie Bassler e il suo allora studente laureato Justin Silpe ha scoperto che un virus ha un vantaggio chiave: può intercettare la comunicazione tra i batteri.
Nello specifico, ascolta il messaggio “Abbiamo il quorum!” sostanza chimica che le cellule batteriche rilasciano quando hanno raggiunto un numero critico per i propri scopi. (La scoperta originale di questo processo di comunicazione batterica, chiamato quorum sensing, ha portato a a serie di premi per Bassler e i suoi colleghi.)
Ora Bassler, Silpe e i loro colleghi ricercatori hanno scoperto che dozzine di virus rispondono al quorum sensing o ad altri segnali chimici dei batteri. Loro lavoro appare nell’ultimo numero di Nature.
“Il mondo è pieno di virus in grado di sorvegliare le informazioni appropriate sull’ospite”, ha affermato Bassler, professore Squibb di biologia molecolare a Princeton e presidente del dipartimento di biologia molecolare. “Non sappiamo quali siano tutti gli stimoli, ma in questo articolo abbiamo dimostrato che si tratta di un meccanismo comune”.
Non solo hanno dimostrato l’abbondanza della strategia, ma hanno anche scoperto strumenti che la controllano e inviano segnali che dicono ai virus di passare dalla modalità chill alla modalità kill.
Il tipo di virus che attacca le cellule batteriche, noto come batteriofagi – o fagi in breve – atterra sulla superficie di una cellula batterica e consegna i suoi geni nella cellula.
Più di un tipo di fago può infettare un batterio contemporaneamente, purché siano tutti in modalità di raffreddamento, che i biologi chiamano lisogenia. Quando coinvolge più fagi che si raffreddano in un singolo batterio, si chiama polilisogenia.
Nella polilisogenesi, i fagi possono coesistere, lasciando che la cellula si copi ripetutamente come fanno le cellule sane, il genoma virale nascosto all’interno del batterio, replicandosi insieme alle cellule.
Ma i virus infiltranti – i fagi – non sono esattamente pacifici; è più come una distruzione reciprocamente assicurata. E la tenue distensione dura solo fino a quando qualcosa fa scattare uno o più fagi per passare alla modalità di uccisione.
Gli scienziati che studiano la guerra dei fagi sanno da tempo che una grave interruzione del sistema – come radiazioni UV ad alte dosi, sostanze chimiche cancerogene o persino alcuni farmaci chemioterapici – può portare tutti i fagi residenti in modalità di uccisione.
A quel punto, hanno pensato gli scienziati, i fagi iniziano a correre, gareggiando l’un l’altro per raccogliere le risorse del batterio, e qualunque fago sia il più veloce vincerà e sparerà le proprie particelle virali.
Ma non è quello che il team di Bassler ha scoperto sulle capacità di questi virus.
Grace Johnson, una ricercatrice associata post-dottorato nel gruppo di ricerca di Bassler, ha utilizzato l’imaging ad alta risoluzione per osservare le singole cellule batteriche infettate da due fagi mentre le inondava con uno di questi segnali universali di uccisione.
Entrambi i fagi entrarono in azione, distruggendo la cellula ospite. Per vedere il risultato, Johnson ha “dipinto” i geni di ciascun fago con speciali tag fluorescenti che si illuminano in colori diversi a seconda del fago che si stava replicando.
Quando si sono accesi, è rimasta scioccata nel vedere che non c’era un chiaro vincitore. Non c’era nemmeno un pareggio tra i due. Invece, ha visto che alcuni batteri brillavano di un colore, altri del secondo colore e altri ancora erano una miscela, producendo contemporaneamente entrambi i fagi.
“Nessuno avrebbe mai immaginato che ci sarebbero state tre sottopopolazioni”, ha detto Bassler.
“È stata una giornata davvero emozionante”, ha detto Johnson. “Potevo vedere le diverse cellule intraprendere tutte le possibili combinazioni di produzione di fagi: inducendo uno dei fagi, inducendone un altro, inducendo entrambi. E alcune delle cellule non stavano inducendo nessuno dei fagi.
Un’altra sfida era trovare un modo per attivare solo uno dei due fagi alla volta.
Silpe, che era tornato al laboratorio di Bassler come ricercatore associato dopo aver svolto studi post-dottorato ad Harvard, aveva preso l’iniziativa di trovare i fattori scatenanti.
Sebbene il team non sappia ancora a quali segnali questi virus fagici rispondano in natura, Silpe ha progettato uno specifico innesco chimico artificiale per ciascun fago. Grace Beggs, un’altra borsista post-dottorato del gruppo Bassler, è stata determinante nelle analisi molecolari dei sistemi artificiali.
Quando Silpe ha esposto le cellule polilisogeniche al suo segnale, solo il fago che ha risposto al suo innesco artificiale si è replicato e in tutte le cellule. L’altro fago è rimasto completamente in modalità chill.
“Non pensavo che avrebbe funzionato”, ha detto. “Mi aspettavo che, poiché la mia strategia non imitava il processo autentico trovato in natura, entrambi i fagi si sarebbero replicati. È stata una sorpresa vedere solo un fago. Nessuno l’aveva mai fatto prima, che io sappia.
“Non credo che nessuno abbia nemmeno pensato di fare una domanda su come si svolge la guerra tra fagi in una singola cellula perché non pensavano di poterlo fare, fino a quando Grace J. e Justin non hanno fatto il loro esperimento”, ha detto Bassler.
“I batteri sono davvero minuscoli. È difficile immaginare anche i singoli batteri, ed è davvero, Veramente difficile da immaginare i geni dei fagi all’interno dei singoli batteri. Stiamo parlando di più piccolo che piccolo.
Johnson aveva adattato la piattaforma di imaging – ibridazione in situ fluorescente, solitamente chiamata FISH – per un altro progetto di rilevamento del quorum che coinvolgeva i biofilm, ma quando ha sentito Silpe condividere la sua ricerca in una riunione di gruppo, si è resa conto che FISH poteva rivelare ciò che fino a quel momento era stato segreti intrattabili sui suoi virus fagici che intercettano.
La maggior parte dei batteri del mondo ha più di un fago agghiacciante al loro interno, “ma nessuno è stato in grado di manipolarli e immaginarli come hanno fatto questi due postdoc”, ha detto Bassler.
“L’astuta strategia in cui potevano indurre un fago, l’altro fago o entrambi i fagi su richiesta – quello è stato il colpo di stato di Justin, e poi essere in grado di vederlo effettivamente accadere in una singola cellula? Anche questo non è mai stato fatto. Quella era Grace J. Possiamo vedere la guerra dei fagi a livello della singola cellula.
Quasi tutti i geni sui genomi virali rimangono misteriosi, ha aggiunto Bassler. Semplicemente non sappiamo cosa fanno la maggior parte dei geni virali.
“Sì, qui, abbiamo scoperto le funzioni di alcuni geni fagici e abbiamo dimostrato che i loro compiti sono di abilitare questo interruttore chill-kill completamente inaspettato e che l’interruttore determina quale fago vince durante la guerra fago-fago. Questa scoperta suggerisce che rimangono processi potenzialmente ancora più entusiasmanti da trovare “, ha affermato.
“I fagi hanno dato inizio all’era della biologia molecolare 70 anni fa e stanno tornando in voga sia come terapie che come incredibile deposito di trucchi molecolari che sono stati implementati nel corso dell’evoluzione. È un tesoro ed è quasi completamente inesplorato.
Scritto da Liz Fuller-Wright
Fonte: università di Princeton
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org