Non esiste alcun organismo sulla terra che viva esente da minacce, compresi i batteri. I virus predatori conosciuti come fagi sono tra i loro nemici più terribili, infiltrandosi nelle loro cellule per replicarsi e prendere il sopravvento. I batteri hanno sviluppato una serie di strategie per contrastare queste infezioni, ma il modo in cui riescono a individuare per la prima volta un invasore in mezzo a loro è rimasto a lungo un mistero.
Ora i ricercatori del Laboratorio di Batteriologia della Rockefeller University hanno scoperto che i batteri percepiscono i fagi attraverso una risposta difensiva chiamata CBASS che rileva l’RNA virale – scoperte che un giorno potrebbero aiutare a contrastare la minaccia della resistenza agli antibiotici. Hanno pubblicato i risultati in Natura.
“Il modo in cui il CBASS viene attivato dall’infezione fagica è stato per molti anni una grande sconosciuta nel nostro campo”, afferma Luciano Marraffini, capo del laboratorio. “Fino ad ora, nessuno aveva capito cosa spinge i batteri ad avviare la risposta immunitaria CBASS.”
Parenti attraverso domini lontani
Alcune funzioni immunitarie fondamentali sono condivise tra domini della vita lontanamente correlati, dagli eucarioti (organismi con un nucleo legato a membrana) come mammiferi, piante e funghi ai procarioti (quelli senza tali membrane) come batteri e archaea. Queste risposte immunitarie devono essersi evolute all’inizio dell’esistenza della vita.
Una caratteristica conservata è un meccanismo di rilevamento virale che si basa su un enzima specializzato noto come ciclasi. Negli animali si chiama cGAS (GMP-AMP sintasi ciclica). Nei batteri, le ciclasi simili a cGAS sono componenti centrali della risposta immunitaria CBASS (sistema di segnalazione antifagica basato su oligonucleotidi ciclici). Entrambi sono stati scoperti solo negli ultimi dieci anni.
“Si ritiene che le ciclasi CBASS siano antichi antenati del cGAS”, afferma il co-primo autore Dalton Banh, uno studente MD-Ph.D nel laboratorio di Marraffini.
Ma ci sono alcune differenze. In un animale infetto, il cGAS rileva il DNA virale nel citoplasma, il liquido gelatinoso in una cellula che circonda il nucleo; in un organismo non infetto, il DNA è confinato all’interno del nucleo. La sua presenza altrove segnala che qualcosa non va.
Tuttavia, poiché i batteri non hanno nuclei, devono adottare un altro approccio. Se il CBASS reagisse alla semplice presenza di DNA, si tradurrebbe in un’autoimmunità dilagante, o il batterio attaccherebbe se stesso, dice Banh.
“Quello era l’enigma”, dice. “Le ciclasi CBASS assomigliano molto a cGAS, quindi devono percepire qualcosa. Ma cosa, esattamente?”
Cercatore di RNA
Per scoprirlo, i ricercatori e i loro partner che collaborano nel Laboratorio di piccole molecole geneticamente codificate di Sean Brady si sono concentrati sul sistema CBASS in Staphylococcus schleiferiun batterio comunemente presente nella bocca di cani, gatti e altri animali che in rare occasioni è passato all’uomo.
Marraffini è un pioniere nello studio dei sistemi di difesa batterica, in primis CRISPR-Cas; perché il suo laboratorio ne ha utilizzati diversi Stafilococco tensioni in questo lavoro nel corso degli anni, la squadra ne ha molte Stafilococco fagi a portata di mano. Banh li ha esaminati tutti per la loro capacità di essere inibiti dal CBASS. Si è concentrato su una serie di fagi individuati dal sistema di difesa. “Questo ci ha portato a ipotizzare che questi fagi sensibili abbiano prodotto qualcosa durante l’infezione che ha innescato l’attivazione di CBASS”, dice Banh.
Successivamente, il co-primo autore Cameron Roberts, un Ph.D. studente in laboratorio, ha testato meticolosamente una varietà di molecole prodotte dal batterio o dal virus, inclusi DNA, RNA e proteine.
L’esperimento ha rivelato che solo l’RNA prodotto durante l’infezione dei fagi era in grado di innescare una risposta immunitaria. “Si trattava chiaramente di RNA virale generato durante l’infezione”, afferma Roberts. “Quindi, invece di rilevare una localizzazione errata del DNA, come fa cGAS, CBASS rileva una struttura specifica dell’RNA. Questa specificità è sorprendente.”
Hanno coniato la molecola cabRNA a forma di forcina appena identificata (pronunciato “cab-RNA” o in alternativa “cabernet”), per l’RNA del batteriofago che attiva CBASS. La molecola si lega a una superficie della ciclasi, innescando la produzione di una molecola messaggera chiamata cGAMP che attiva la risposta immunitaria CBASS.
“È stato un esperimento molto semplice ed elegante e ci ha fornito la scoperta chiave”, afferma Marraffini.
Anche qui ci sono parallelismi con il modo in cui funziona il sistema analogo negli esseri umani. Dopo aver rilevato il DNA virale, il cGAS innesca anche la produzione di cGAMP, che induce il sistema immunitario a produrre interferoni di tipo I. Questa via di segnalazione antivirale è nota come cGAS-STING.
Possibilità future
Nella ricerca futura, Roberts continuerà ad analizzare il cabRNA per le sue caratteristiche. “Due grandi domande sono: come e perché il fago genera cabRNA: qual è il suo ruolo?” lei dice. “Anche i dettagli di come il cabRNA interagisce con l’enzima CBASS non sono chiari. Quindi risolvere la struttura dell’enzima legato al cabRNA sarebbe un’impresa enorme.”
I fagi che non innescano una risposta CBASS potrebbero essere potenzialmente utili un giorno nella lotta contro i batteri resistenti agli antimicrobici. “Al momento, non abbiamo le conoscenze per prevedere quali fagi hanno il cabRNA e quali no”, dice Marraffini, “ma se potessimo farlo, potremmo potenzialmente usare quei fagi per attaccare i batteri, perché” Ho scoperto come sfuggire a questo meccanismo di rilevamento.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
