Come i batteri si “vaccano” se stessi con materiale genetico da virus dormienti

Ora, gli scienziati della medicina di Johns Hopkins affermano di aver gettato nuova luce su come i batteri si proteggono da alcuni invasori di fagi – afferrando il materiale genetico da fagi indeboliti e dormienti e usandolo per “vaccinare” per suscitare una risposta immunitaria.

Nei loro esperimenti, gli scienziati affermano che i batteri di Streptococcus pyogenes (che causano la gola strep) sfruttano una classe di fagi noti come fagi temperati, che possono uccidere le cellule o diventare dormienti. I batteri rubano materiale genetico dai fagi temperati durante questo periodo dormiente e formano una “memoria” biologica dell’invasore che la loro prole eredita come i batteri si moltiplicano. Dotato di questi ricordi, la nuova popolazione può riconoscere questi virus e combatterli.

Un rapporto sugli esperimenti, supportato in parte dal National Institutes of Health, è stato pubblicato il 12 marzo sulla rivista Host cellulare e microbo. I risultati aiutano gli scienziati a comprendere meglio come le cellule batteriche che causano gravi malattie, tra cui le infezioni da staph e E. coli e il colera, diventano tossiche per l’uomo – un processo che coinvolge geni tossici espressi da fagi altrimenti dormienti che risiedono all’interno della cellula batterica, la corrispondente autore Joshua Modell, Ph.D., professore associato di biologia molecolare e genitica della Genetica della Giovanni di medicina.

“Volevamo essenzialmente rispondere alla domanda: se le cellule batteriche non hanno alcuna memoria o capacità di sopravvivenza, per combattere un nuovo fago temperato che si presenta, come si comprano abbastanza tempo per stabilire una nuova memoria, prima di soccombere a quell’infezione iniziale?” dice Modell.

Gli investigatori di Johns Hopkins affermano che i batteri sono noti a lungo per usare i sistemi CRISPR-CAS per tagliare il DNA del fagi, abbatterlo e sbarazzarsi di esso. Fondamentalmente, i sistemi CRISPR possono solo distruggere il DNA che corrisponde a una “memoria” catturata da una precedente infezione e conservata all’interno del genoma dei batteri, affermano i ricercatori. In questo modo, il sistema CRISPR funge da dispositivo di registrazione che documenta la lunga lista di invasori stranieri incontrati da una particolare tensione batterica.

Per condurre le loro ricerche, gli scienziati affermano di aver infettato popolazioni di batteri con fagi naturali che diventano fagi non dormienti in dormienti o geneticamente modificati in boccette separate che contenevano milioni di cellule batteriche.

“I nostri risultati indicano che il sistema CRISPR dei batteri era più efficace nell’uso del fagi naturalmente dormiente per attirare parti del codice genetico virale nel loro genoma”, afferma Modell. “Quando abbiamo testato i fagi che non potevano diventare dormienti, il sistema CRISPR non ha funzionato quasi altrettanto bene.”

Dopo aver isolato i batteri che sopravvissero e lasciando ripopolare i sopravvissuti al pallone, gli scienziati usavano il sequenziamento del genoma per catalogare centinaia di migliaia di nuovi ricordi di DNA che il sistema CRISPR Cas9 aveva creato dai fagi di prova, affinando a quelli che contribuiscono all’immunità cellulare. Gli scienziati hanno anche stabilito che i batteri hanno creato quei ricordi durante il periodo di dormienza del fagi temperato, quando non rappresentavano una minaccia per la popolazione.

“Questo è concettualmente simile a un vaccino con un virus attenuato”, afferma Nicholas Keith, uno studente laureato e primo autore del giornale. “Riteniamo che questo sia il motivo per cui il sistema CRISPR CAS9 ha una relazione unica con questa specifica classe di fagi temperati”.

“Possiamo usare questi tipi di esperimenti per trovare quali elementi del fagi, dell’ospite batterica e del suo sistema CRISPR sono importanti per tutte le fasi dell’immunità batterica”, afferma Keith.

Nei futuri esperimenti, gli scienziati mirano a saperne di più su come i sistemi CRISPR proteggono le cellule di batteri da virus che non diventano dormienti, afferma Modell.

“Sappiamo che i sistemi CRISPR sono una delle prime linee di difesa contro il trasferimento di geni pericolosi da fagi che trasformano le cellule batteriche tossiche”, afferma Modell. “Inoltre, i nostri studi informeranno la progettazione di” terapie di fagi “che potrebbero essere utilizzate in casi clinici in cui un’infezione batterica è resistente a tutti gli antibiotici disponibili.”

Oltre a Keith e Modell, i collaboratori dello studio sono Rhett Snyder di Johns Hopkins e Chad Euler del Hunter College.

La ricerca è stata finanziata dalla Johns Hopkins University School of Medicine, dalla National Institutes of Health National Institute of General Medical Sciences (R35GM142731), dalla Rita Allen Foundation e dalla National Science Foundation.