Batteri spugna come fabbrica di sostanze chimiche
La maggior parte delle sostanze bioattive prodotte dalla spugna di roccia Theonella swinhoeiLe sostanze naturali secrete dalla spugna non sono prodotte dalla spugna stessa, ma dai batteri che vivono al suo interno. Un team di ricerca internazionale guidato dal professor Jörn Piel dell'ETH ha ora descritto queste sostanze naturali, i geni associati e il ceppo batterico.
Le spugne sono creature strane: Sono invertebrati che vivono in simbiosi con centinaia di tipi diversi di batteri; simili ai licheni, che sono una biocenosi di alghe e funghi. "In parole povere, molte spugne sono ammassi di batteri che contengono alcune cellule di spugna", spiega Jörn Piel, professore di microbiologia all'ETH di Zurigo.
Molte spugne hanno tutto: i batteri che contengono producono numerose sostanze naturali, a volte tossiche, che potrebbero essere interessanti per l'uso medico. Una fonte particolarmente ricca e ben studiata di tali sostanze naturali è la spugna di roccia Theonella swinhoei. Ne esistono diversi chemiotipi, cioè individui della stessa specie che contengono prodotti metabolici diversi. Dalla variante gialla, Theonella swinhoei Y, che si trova nelle acque intorno all'isola di Hachijo, sulla costa orientale del Giappone, sono state isolate finora più di 40 diverse sostanze bioattive, per lo più polichetidi o peptidi. Tuttavia, in precedenza non si sapeva quale batterio della spugna producesse queste sostanze.
Un team di ricercatori di diverse scuole universitarie in Germania, Giappone, Stati Uniti e Svizzera, guidato da Jörn Piel, è ora riuscito a identificare la fonte di queste sostanze: un batterio del genere Entotheonella. In uno studio appena pubblicato su Nature, gli scienziati descrivono Entotheonella-I batteri delle spugne sono rappresentanti di una nuova unità sistematica sovraordinata (phylum) all'interno del regno dei batteri, per la quale il nomeTectomicrobia è stato selezionato.
Centrifugazione di una spugna
Per trovare il produttore della sostanza, i ricercatori hanno dovuto separare le spugne raccolte dal mare nelle loro singole parti e analizzare le singole cellule. Dopo aver centrifugato i componenti della spugna, gli scienziati hanno notato al microscopio una colonia batterica filamentosa, che diventava fluorescente se illuminata con luce UV. Un esame più approfondito ha rivelato due batteri strettamente imparentati. Entotheonella-specie batteriche che colonizzano la spugna come colonia filamentosa. L'assegnazione delle sostanze bioattive al genoma dei due batteri ha infine suggerito che solo uno dei due microrganismi produce le sostanze naturali estratte dalla spugna.
Con il loro metabolismo chimicamente diverso, i Entotheonella-I batteri fanno parte dei cosiddetti "produttori di talento". Questi includono solo alcuni gruppi di microrganismi, come gli attinomiceti o i batteri che sono in grado di produrre prodotti metabolici interessanti dal punto di vista medico. Bacillo,che sono in grado di produrre prodotti metabolici di interesse medico. Tutti i principi attivi batterici isolati finora sono stati ottenuti da ceppi che possono essere propagati in laboratorio. Entotheonellasono i primi produttori di talento che non possono ancora essere coltivati. I batteri non coltivabili costituiscono la percentuale di gran lunga maggiore di tutti i batteri e finora sono stati poco studiati. L'attuale lavoro di ricerca mira a utilizzare le conoscenze acquisite dallo studio per portare in coltura pura i produttori di principi attivi delle spugne.
Coltivare batteri invece di raccogliere spugne
Anche se sarebbe possibile isolare le sostanze interessanti dalle spugne, ciò non è sostenibile perché sono necessarie grandi quantità di spugna per accumulare le sostanze attive. Le sostanze dovrebbero quindi essere prodotte in laboratorio, coltivando ceppi batterici appropriati o sintetizzandole in provetta. Un farmaco antitumorale basato su un principio attivo della spugna è già in commercio in diversi Paesi. "Tuttavia, per produrre il principio attivo in modo sintetico sono necessari oltre 60 passaggi", spiega Piel, sottolineando la complessità dell'impresa.
L'ETH vede un'altra possibilità nel trasferimento dei geni che codificano per la produzione di sostanze attive in un organismo facile da coltivare che produca la sostanza desiderata (o un suo precursore) in quantità sufficienti. Tuttavia, la strada da percorrere è ancora lunga.
Letteratura di riferimento
Wilson MC et al. Un taxon batterico ambientale con un repertorio metabolico ampio e distinto. Nature, pubblicazione online il 29 gennaio 2014. DOI: pagina esterna10.1038/nature12959