Uno dei tanti segreti del successo dei batteri è la loro capacità di difendersi dai virus, chiamati fagi, che infettano i batteri e utilizzano il loro apparato cellulare per creare copie di se stessi.
I progressi tecnologici hanno consentito la recente identificazione delle proteine coinvolte in questi sistemi, ma gli scienziati stanno ancora scavando più a fondo su ciò che fanno queste proteine.
In un nuovo studio, un team della Ohio State University ha riferito sull’assemblaggio molecolare di uno dei più comuni sistemi antifagici – della famiglia delle proteine chiamate Gabija – che si stima venga utilizzato da almeno l’8,5% e fino al 18% di tutte le specie di batteri sulla Terra.
I ricercatori hanno scoperto che una proteina sembra avere il potere di respingere un fago, ma quando si lega a una proteina partner, il complesso risultante è altamente abile nel tagliare il genoma di un fago invasore per renderlo incapace di replicarsi.
“Pensiamo che le due proteine debbano formare il complesso per svolgere un ruolo nella prevenzione dei fagi, ma crediamo anche che una proteina da sola abbia una certa funzione anti-fagi”, ha detto Zhangfei Shen, co-autore principale dello studio e studioso post-dottorato. in chimica biologica e farmacologia presso il College of Medicine dell’Ohio State. “L’intero ruolo della seconda proteina deve essere ulteriormente studiato.”
I risultati contribuiscono alla comprensione scientifica delle strategie evolutive dei microrganismi e potrebbero un giorno essere tradotti in applicazioni biomediche, dicono i ricercatori.
Shen e il co-autore principale Xiaoyuan Yang, uno studente di dottorato, lavorano nel laboratorio dell’autore senior Tianmin Fu, assistente professore di chimica biologica e farmacologia presso l’Ohio State.
Lo studio è stato pubblicato il 16 aprile in Biologia strutturale e molecolare della natura.
Le due proteine che compongono questo sistema di difesa si chiamano Gabija A e Gabija B, o GajA e GajB in breve.
I ricercatori hanno utilizzato la microscopia crioelettronica per determinare le strutture biochimiche di GajA e GajB individualmente e di quello che viene chiamato un complesso supramolecolare, GajAB, creato quando i due si legano per formare un cluster costituito da quattro molecole di ciascuna proteina.
Negli esperimenti utilizzando Bacillus cereus batteri come modello, i ricercatori hanno osservato l’attività del complesso in presenza di fagi per ottenere informazioni su come funziona il sistema di difesa.
Anche se il solo GajA mostrava segni di attività in grado di disabilitare il DNA di un fago, il complesso formato con GajB era molto più efficace nel garantire che i fagi non potessero prendere il controllo della cellula batterica.
“Questa è la parte misteriosa”, ha detto Yang. “GajA da solo è sufficiente per scindere il nucleo del fago, ma forma anche il complesso con GajB quando li incubiamo insieme. La nostra ipotesi è che GajA riconosca la sequenza genomica del fago, ma GajB migliora tale riconoscimento e aiuta a tagliare il DNA del fago. “
Le grandi dimensioni e la configurazione allungata del complesso hanno reso difficile ottenere il quadro completo dei contributi funzionali di GajB quando legato a GajA, ha detto Shen, lasciando al team il compito di fare alcune ipotesi sui ruoli delle proteine che devono ancora essere confermate.
“Sappiamo solo che GajB aiuta a migliorare l’attività di GajA, ma non sappiamo ancora come funziona perché ne vediamo solo circa il 50% nel complesso”, ha detto Shen.
Una delle loro ipotesi è che GajB possa influenzare il livello di concentrazione di una fonte di energia, il nucleotide ATP (adenosina trifosfato), nell’ambiente cellulare, in particolare abbassando l’ATP al rilevamento della presenza del fago. Ciò avrebbe il duplice effetto di espandere l’attività di disabilitazione del DNA dei fagi di GajA e di rubare l’energia di cui un fago avrebbe bisogno per iniziare a replicarsi, ha detto Yang.
C’è ancora molto da imparare sui sistemi di difesa anti-fagi batterici, ma questo team ha già dimostrato che bloccare la replicazione del virus non è l’unica arma nell’arsenale batterico. In uno studio precedente, Fu, Shen, Yang e colleghi hanno descritto una diversa strategia di difesa: i batteri programmano la propria morte piuttosto che lasciare che i fagi prendano il controllo di una comunità.
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali.
Altri coautori sono Jiale Xie, Jacelyn Greenwald, Ila Marathe, Qingpeng Lin e Vicki Wysocki dell’Ohio State e Wenjun Xie dell’Università della Florida.
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