I ricercatori dell’Università del Kansas hanno svolto un ruolo chiave nel decifrare un gruppo di geni precedentemente non identificato responsabile della produzione del sartorypyrones, una sostanza chimica prodotta dal patogeno fungino Aspergillus fumigatusla cui famiglia causa l’aspergillosi negli esseri umani.
I loro risultati sono stati recentemente pubblicati come storia di copertina della rivista sottoposta a revisione paritaria Scienza chimicala rivista di punta della Royal Society of Chemistry.
L’aspergillosi minaccia la vita di oltre 300.000 persone ogni anno. Una migliore comprensione dei geni responsabili delle sostanze chimiche – o “metaboliti secondari” – prodotti da A. fumigatus e dai suoi cugini fungini potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare farmaci antifungini più efficaci.
“Le infezioni fungine rappresentano una sfida significativa e hanno raccolto maggiore attenzione da parte dei media, compresi i rapporti scientifici”, ha affermato l’autore corrispondente Berl Oakley, Irving S. Johnson Distinguished Professor di Biologia Molecolare alla KU. “Tra gli organismi problematici c’è un fungo noto come Aspergillus fumigatus. La maggior parte degli individui affetti da gravi infezioni fungine patogene rientrano nella categoria degli immunocompromessi, come gli individui sottoposti a cure per il cancro o coloro che vivono nell’Africa sub-sahariana, dove un numero significativo di persone affette da AIDS non ricevono farmaci.
Oakley e i suoi coautori erano interessati a sapere come Aspergillus fumigatus hanno prodotto metaboliti secondari, che spesso sono considerati per il loro potenziale medicinale – anche se possono essere difficili da studiare in laboratorio – perché sono biologicamente attivi.
“Gli studi hanno identificato numerosi cluster di geni nei funghi responsabili della produzione di questi metaboliti”, ha affermato. “Ma questi composti non sono tipicamente prodotti in condizioni di laboratorio standard, lasciando molte delle loro proprietà inesplorate. Questi metaboliti, sebbene non essenziali per la crescita di un organismo, offrono vantaggi selettivi. Possono proteggere da fattori come le radiazioni UV e inibire le specie competitive. Alcuni di questi metaboliti secondari mostrano bioattività benefiche per vari scopi. Altri contribuiscono agli effetti patogeni, inclusa la soppressione del sistema immunitario.
Isolare e analizzare i geni in Aspergillus fumigatus che esprimono metaboliti secondari, il team ha trasferito un gruppo di questi geni – chiamato cluster di geni biosintetici (BGC) – a un ceppo correlato di Aspergillo, A. nidulansquindi attivarli. A. nidulans è stato modificato dai ricercatori per diventare una specie fungina modello per questa tecnica, soprannominata “espressione eterologa”.
“Potremo quindi osservare i composti che producono in laboratorio”, ha detto Oakley. “In un caso, un cluster di geni ha rivelato la sintesi dei sartorypyrones, un gruppo di composti con una conoscenza preliminare limitata della loro produzione.”
Il gruppo di ricerca ha chiamato il cluster genetico responsabile di questi composti “spy BGC” (spia che sta per sartorypyrones). Hanno analizzato i composti prodotti dal BGC spia utilizzando la spettrometria di massa con ionizzazione elettrospray ad alta risoluzione, la risonanza magnetica nucleare e la diffrazione di elettroni microcristallini (MicroED) per identificare 12 prodotti chimici dal BGC spia.
Oakley ha guidato il lavoro con il collaboratore di lunga data e autore corrispondente Clay CC Wang della University of Southern California. Alla KU, Oakley ha condotto l’indagine con C. Elizabeth Oakley e lo studente di dottorato Cory Jenkinson. Altri coautori erano Shu-Yi Lin e Paul Seidler della USC; Yi-Ming Chiang dell’Università di Medicina di Taipei; Ching-Kuo Lee, Christopher Jones e Hosea Nelson del California Institute of Technology; e Richard Todd della Kansas State University
Riferiscono che sette dei composti non erano stati isolati in precedenza.
“La spia BGC è composta da sei geni contigui coinvolti nella biosintesi dei sartorypyrones”, riferiscono. “Siamo stati in grado di proporre un percorso biosintetico per questa famiglia di composti. Il nostro approccio di rifattorizzazione dell’intero cluster genetico nel dereplicato A. nidulans sistema ospite ci fornisce un modo semplice per analizzare il percorso biosintetico.”
Oakley ha affermato che la stessa tecnica potrebbe portare a ulteriori progressi nella comprensione A. fumigatus e altri agenti patogeni fungini. I risultati potrebbero portare a nuove terapie per le infezioni fungine nonché a usi industriali ecologici. Ad esempio, una delle altre linee di ricerca di Oakley utilizzava prodotti geneticamente modificati A. nidulans convertire la plastica oceanica in materie prime per l’industria farmaceutica.
Ha detto che il documento attuale riflette una prova di principio.
“Vorremmo esprimere i rimanenti cluster di geni dei metaboliti secondari in modo da sapere cosa produce ciascuno”, ha detto. “Sappiamo già cosa producono circa 15 di loro. Sappiamo che si tratta di un agente patogeno serio e conosciamo alcuni dei metaboliti secondari che contribuiscono alla patogenesi. Ma non conosciamo tutti i gruppi di geni dei metaboliti secondari. Se calcoliamo eliminarli, quindi i ricercatori potranno utilizzare tali informazioni a livello terapeutico per comprendere i meccanismi dell’infezione e trovare modi per limitare l’infezione”.
Tuttavia, Oakley ha avvertito che la realtà economica della produzione di farmaci antifungini potrebbe ostacolare il rapido sviluppo di nuovi farmaci.
“Abbiamo bisogno di più antibiotici e più antifungini”, ha detto. “Ma non sono redditizi. Un composto redditizio è qualcosa che possono dare alle persone per 30 anni, non qualcosa che si dà per una settimana che risolve il problema. Quindi non c’è molto incentivo finanziario. Puoi trovare il miglior antibiotico nel mondo, lo metteranno sullo scaffale perché sarà l’ultima risorsa, e lo useranno solo quando gli altri non funzionano.”
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