La fotografia di sinistra ritrae una coltura cellulare di E. coli infestata dal fago VP882. La proteina virale prodotta all’interno dei batteri è marcata con un colore rosso. Quando quest’ultima intercetta troppe molecole scambiate tra i batteri, essa lega un’altra proteina (di colore giallo) e attiva i processi biosintetici che si concluderanno con la produzione di numerose copie di VP882 e la lisi di E. Coli.
Un virus, in quanto parassita endocellulare obbligato, ha due opzioni riguardo all’ospite che infetta: o ucciderlo (provocandone la rottura in seguito ad un intensivo ciclo litico) o restare all’interno in modalità quiescente (ciclo lisogeno). VP882, oltre che a comportarsi ordinariamente da virus, ha sviluppato la caratteristica di stimare il numero di batteri nei paraggi mediante l’analisi quantitativa delle proteine batteriche. In tal modo, quando si rende conto che il numero di cellule infettabili è abbastanza elevato, converte il suo ciclo lisogeno in litico, aumentando così il danno virale.
Il quorum sensing: come gli organismi “ascoltano” l’ambiente circostante
In biologia si definisce quorum sensing l’abilità di determinare e rispondere alla quantità di cellule circostanti attraverso dei meccanismi che intervengono sull’espressione genica.
Il primo organismo del quale sia stata attestata tale capacità è l’Aliivibrio fischeri, un batterio Gram-negativo bioluminescente in simbiosi con animali quali il calamaro delle Hawaii (E. scolopes).
Un esemplare di E. scolopes. Si notano subito le parti fluorescenti sulla superficie dell’animale marino dovute ai processi di bioluminescenza dell’A. fischeri in seguito ad un’autoinduzione basata sul quorum sensing.
La bioluminescenza è garantita dall’operone lux: 5 geni sono coinvolti nell’emissione della luce mentre altri 2 regolano il sistema dell’operone.
Nonostante l’operone codifichi per tutti gli enzimi necessari per la bioluminescenza, questo fenomeno è regolato per autoinduzione, ossia attraverso un promotore trascrizionale necessario per la sintesi degli enzimi. Affinché il batterio possa illuminarsi è dunque necessario che ci sia una certa concentrazione dell’autoinduttore. Di conseguenza, affinché vi sia manifestazione del fenomeno di bioluminescenza, dovrebbero esserci delle elevate concentrazioni di A. fischeri nell’organismo.
La scoperta di VP882: trasformare un virus da patogeno ad assassino
La Princeton University studia dagli anni ’90 il fenomeno del quorum sensing basandosi appunto sulle molecole rilasciate dai batteri in base alla loro concentrazione. Il team di ricerca della Bassler ha avuto questa intuizione già sulla base di un progetto su V. cholerae: i ricercatori infatti scoprirono che anche questi batteri comunicano tra di loro mediante una molecola (DPO) riconoscibile mediante la proteina VqmA. Silpe, svolgendo ricerche bioinformatiche su specifiche piattaforme di dati, ha constatato che molti membri della famiglia Vibrio usano la stessa proteina per “recepire” DPO, proprio come fa il virus VP882.
Il fago, quando avverte che la concentrazione di DPO aumenta considerevolmente all’interno della cellula che ospita il suo materiale genetico e le sue componenti, attiva dei rapidi processi di replicazione che provocano infine la lisi del batterio. In tal modo VP882 è sicuro di trovare nelle immediate vicinanze un quantitativo spropositato di cellule ancora da infettare.
La scoperta, che inizialmente era stata considerata una semplice coincidenza, si è rivelata invece molto utile grazie ai moderni protocolli d’ingegneria genetica. Silpe e Bassler hanno dimostrato che VP882 è in grado di attaccare una grande varietà di batteri dal momento che, modificando le caratteristiche recettoriali del fago, sono stati infettati anche esemplari di E. coli e Salmonella.
In tal modo, quando il virus riconosce delle particelle presenti solo nel suo target, lo uccide, trasformandosi di conseguenza in un assassino programmabile.
VP882: una soluzione al problema della resistenza ai farmaci?
Per decenni gli scienziati hanno cercato di usare dei fagi per combattere della malattie batteriche e tali terapie alternative sono essenziali in un periodo storico in cui è in rapida diffusione il problema della resistenza ai farmaci.
Un batterio è un organismo procariote caratterizzato, per quanto riguarda la disposizione del suo materiale genetico, da un “cromosoma” principale di natura circolare e diverse sequenze geniche sempre circolari (plasmidi) con informazioni aggiuntivi che conferiscono al batterio stesso delle caratteristiche peculiari (quali la resistenza ai farmaci).
I batteri, oltre a possedere un DNA principale circolare, sono dotati di materiale genico suppletivo (plasmidico) che conferisce a tali organismi delle proprietà particolari ma non fondamentali ai fini della sopravvivenza. Tra tali informazioni aggiuntive, vi sono i cosiddetti plasmidi R che codificano per delle molecole in grado di sviluppare la resistenza ai farmaci. Ad esempio RP1 ha delle sequenze geniche che codificano per la resistenza all’ampicillina o alla tetraciclina.
Utilizzare VP882 potrebbe rivelarsi un’ottima strategia per combattere le infezioni batteriche senza l’intervento dei fattori di resistenza ai farmaci. Lo stesso Silpe, nelle interviste rilasciate in seguito alla pubblicazione dei dati della ricerca, ha confermato che il team sta definendo diversi protocolli sperimentali per la produzione di fagi sensibili a più specie batteriche che poi verrebbero eliminate quando una precisa molecola rilasciata da una di queste aumenta in modo considerevole.
Roberto Parisi
Riferimenti accademici:
- Miyashiro, Tim, and Edward G. Ruby. 2012. “Shedding Light On Bioluminescence Regulation In Vibrio Fischeri”. Molecular Microbiology 84 (5): 795-806. doi:10.1111/j.1365-2958.2012.08065.x.
- Rutherford, S. T., and B. L. Bassler. 2012. “Bacterial Quorum Sensing: Its Role In Virulence And Possibilities For Its Control”. Cold Spring Harbor Perspectives In Medicine 2 (11): a012427-a012427. doi:10.1101/cshperspect.a012427.
- Wolstenholme, G. E. W. 1957. The Nature Of Viruses.. Boston: Little, Brown.
