Banco di lavoro per la progettazione di virus
Le ricerche all'ETH hanno sviluppato una piattaforma tecnologica con cui possono modificare e personalizzare in modo specifico i batteriofagi. Grazie a questa tecnologia, le terapie con i fagi contro pericolosi agenti patogeni sono ora a portata di mano.
I batteriofagi (in breve fagi) sono virus in grado di infettare e uccidere specificamente i batteri. Si trovano in gran numero in natura. Proprio perché sono specializzati in un solo tipo di batterio, ricercatori e medici sperano di poter trattare alcune malattie batteriche in modo mirato con l'aiuto dei fagi. L'industria alimentare, ad esempio, sta già utilizzando questi virus per distruggere in modo naturale gli agenti patogeni negli alimenti.
Tuttavia, ottimizzare geneticamente i virus e quindi adattarli a scopi specifici è ancora impegnativo e richiede molto tempo. È particolarmente difficile ottimizzare i fagi per combattere i cosiddetti batteri Gram-positivi, quali Stafilococco per cambiare.
Modifica mirata dei fagi
Ora, però, potrebbe aprirsi una nuova era nell'uso dei batteriofagi: un team di ricercatori guidati da Martin Loessner, professore di microbiologia alimentare presso l'ETH di Zurigo, ha infatti appena pubblicato i propri risultati sulla rivista scientifica pagina esternaPNAS È stato presentato un nuovo tipo di piattaforma tecnologica. Questa permette agli scienziati di modificare geneticamente i fagi in modo mirato, dotarli di eventuali funzioni aggiuntive e infine farli vivere in una "madre surrogata" batterica - una cellula di Listeria priva di pareti cellulari.
Con il nuovo banco di lavoro per fagi, questi virus possono essere creati molto rapidamente e la "cassetta degli attrezzi" è altamente modulare: Gli scienziati possono usarla per creare quasi tutti i batteriofagi per scopi diversi e con una varietà di funzioni differenti.
"In passato era quasi impossibile modificare il genoma di un batteriofago", afferma Loessner. I metodi erano anche estremamente inefficienti. Ad esempio, un gene veniva integrato nel genoma esistente solo in una frazione dei fagi. L'isolamento del fago modificato diventava quindi spesso una ricerca di un ago in un pagliaio.
"In passato dovevamo selezionare tra milioni di fagi quelli che avevano le proprietà desiderate. Ora possiamo generare tutti gli stessi virus fin dall'inizio, testarli in un periodo di tempo utile e cambiarli di nuovo se necessario", sottolinea Loessner.
Pianificare i virus al computer
Samuel Kilcher, collaboratore di Loessner, ha aperto la strada alla scoperta. Lo specialista in virologia molecolare ha utilizzato i metodi della biologia sintetica per pianificare il genoma di un batteriofago sul tavolo da disegno e assemblarlo da frammenti di DNA in una provetta. Nel genoma del fago sono state incorporate anche funzionalità nuove e aggiuntive, come gli enzimi che dissolvono l'involucro cellulare batterico. Kilcher può anche rimuovere i geni che conferiscono al fago proprietà indesiderate, come l'integrazione nel genoma batterico o la produzione di citotossine.
Per riportare in vita le particelle fagiche a partire dal DNA artificiale, il genoma è stato trasformato in forme sferiche del batterio, prive di parete cellulare ma vitali. Listeria (listeria in forma L). Queste cellule batteriche producono quindi tutti i componenti del fago desiderato sulla base del progetto genetico e garantiscono il corretto assemblaggio dei virus.
I ricercatori hanno scoperto che le listerie sferiche non producono solo i propri fagi specifici, ma anche quelli che possono infettare altri batteri. Di solito, un ospite produce solo i propri virus specifici. Le Listeria a forma di L sono quindi adatte come incubatore di batteriofagi quasi universale.
Se le listerie vengono fatte esplodere, i batteriofagi vengono rilasciati e possono essere isolati e moltiplicati per essere utilizzati in terapia o in diagnostica.
Solo i fagi virulenti sono adatti
"Un prerequisito fondamentale per l'uso di batteriofagi sintetici efficaci è che il loro genoma non possa integrarsi in quello dell'ospite", sottolinea Kilcher. Se ciò accade, il virus non rappresenta più una minaccia per il batterio. Con il nuovo metodo, tuttavia, i ricercatori sono riusciti a riprogrammare semplicemente questi fagi integrativi in modo che perdano la loro capacità di integrarsi e quindi tornino a essere interessanti per le applicazioni antibatteriche.
I due ricercatori non sono affatto preoccupati di un'eventuale resistenza dei fagi. E anche se ci fosse, ad esempio se un batterio cambia le sue strutture di superficie per impedire l'aggancio del virus, la nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata per sviluppare rapidamente un fago adatto a cui un batterio non ha ancora sviluppato resistenza.
I ricercatori ritengono inoltre che il rischio di rilascio involontario sia basso. Proprio perché i batteriofagi, sia naturali che sintetici, sono altamente specifici per l'ospite, non possono sopravvivere a lungo senza il loro ospite. Questa elevata specificità impedisce inoltre ai batteriofagi di passare a un nuovo batterio ospite. "L'adattamento alla struttura superficiale di un ospite diverso richiederebbe molto tempo in natura", spiega Loessner.
L'applicazione pratica si avvicina
Con la loro tecnologia, il team di Loessner ha compiuto un passo importante verso l'utilizzo di batteriofagi sintetici per la terapia, la diagnostica o nell'industria alimentare. I ricercatori hanno anche superato le limitazioni associate all'uso dei fagi naturali. "La nostra cassetta degli attrezzi potrebbe aiutare a sfruttare il potenziale dei fagi", afferma Loessner. I ricercatori hanno fatto richiesta di brevetto per la loro tecnologia. Ora sperano di trovare licenziatari per produrre fagi per terapie e diagnostica.
Riferimento alla letteratura
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Riavvio cross-genere di genomi di batteriofagi sintetici e personalizzati in batteri di forma L. PNAS 2018 gennaio, 115 (3) 567-572. pagina esternadoi: 10.1073/pnas.1714658115