Come i batteri sparano con i fucili subacquei

Molti batteri dispongono di ingegnosi dispositivi di iniezione molecolare con i quali possono realizzare cose meravigliose. Ad esempio, un batterio inietta alcune molecole in una larva di verme, chi siamo, attraverso una nanomacchina composta da proteine, che innesca la trasformazione della larva in un verme adulto. Altri batteri usano queste armi molecolari per uccidere ceppi batterici estranei o larve di insetti, o per difendersi dai fagociti.

I ricercatori del gruppo di Martin Pilhofer, professore presso l'Istituto di biologia molecolare e biofisica all'ETH di Zurigo, specializzato in queste macchine di iniezione molecolare, hanno appena descritto sulla rivista "Nature Microbiology" due nuovi sistemi di iniezione: uno proveniente dai cianobatteri, noti anche come alghe blu-verdi, e uno dal batterio marino Algoriphagus machipongonensis.

I cosiddetti sistemi di iniezione contrattile (CIS) recentemente scoperti funzionano in modo fondamentalmente diverso da quelli precedentemente descritti e presentano alcune caratteristiche uniche. Di conseguenza, fanno luce anche sulle differenze evolutive tra le diverse classi di sistemi di iniezione.

Questi sistemi di iniezione contrattile funzionano come siringhe molecolari. Quando il modulo esterno della nanomacchina si contrae, viene sparato fuori un tubo nascosto carico di proteine. Queste vengono iniettate nell'ambiente o direttamente in una cellula bersaglio.

Un sorprendente ancoraggio nella cellula

Il nuovo CIS trovato dai ricercatori nei cianobatteri non era ancorato alla membrana cellulare o fluttuava liberamente all'interno della cellula, come ci si aspettava, ma era invece attaccato alla cosiddetta membrana tylakoide. Questa membrana è una caratteristica speciale dei cianobatteri ed è il luogo in cui avviene la fotosintesi in questi batteri.

"Questa è stata la sorpresa più grande per noi", dice Gregor Weiss, autore principale dello studio sul sistema di iniezione dei cianobatteri. Nonostante questa localizzazione insolita, i CIS ancorati alla membrana tiloidea - noti come tCIS - svolgono il loro compito: se i cianobatteri sono stressati, ad esempio da concentrazioni eccessive di sale nell'acqua o dalla luce ultravioletta, l'involucro cellulare si stacca. Questo espone i tCIS rivolti verso l'esterno e sono pronti a sparare al contatto con potenziali cellule bersaglio.

I fucili molecolari sono anche inaspettatamente comuni, il che, secondo Weiss, indica un ruolo importante nel ciclo vitale dei cianobatteri. Egli sospetta che il tCIS possa svolgere un ruolo nella morte cellulare programmata di singole cellule in questi cianobatteri multicellulari.

Sistema di iniezione extracellulare

I ricercatori del Fare all'ETH Jingwei Xu e Charles Ericson, che lavorano anche nel gruppo di Pilhofer, hanno scoperto e descritto un sistema di iniezione derivato da un batterio marino. Algoriphagus machipongonensis prodotto CIS che non è affatto ancorato alla cellula, ma viene rilasciato da essa nell'ambiente per agire su cellule bersaglio nelle vicinanze.

I ricercatori hanno utilizzato la microscopia crioelettronica per determinare la struttura di questo specifico sottotipo di CIS espulso (eCIS) ad altissima risoluzione, cosa che nessun altro gruppo di ricerca è riuscito a fare prima.

"Le nanomacchine appena scoperte ci danno indicazioni sul fatto che i sistemi di iniezione contrattile sono più diffusi di quanto si pensi", afferma Ericson.

Dalle molecole ai batteri interi

La particolarità di questi studi è il loro approccio interdisciplinare e multiforme: dai batteri raccolti negli ecosistemi naturali alla modellazione dei rispettivi CIS a livello atomico. "Questo lavoro mostra molto bene come si possano usare tecniche diverse per farsi un'idea di come funzionano questi sistemi e strutture di iniezione", spiega Weiss. Lo studio dimostra anche che è necessario passare dai ceppi di laboratorio ai campioni ambientali per comprendere il ruolo dei sistemi di iniezione nel ciclo vitale".

Uso futuro nella biomedicina

I due studi aiutano i ricercatori a capire come gli organismi che producono CIS influenzano il loro ambiente. Inoltre, i diversi siti di questi sistemi permettono di capire come ogni CIS sia organizzato per uno scopo specifico: recettori specializzati simili a capelli permettono di legare in modo specifico le cellule bersaglio; il carico variabile di queste siringhe molecolari provoca effetti cellulari diversi e diversi meccanismi di ancoraggio permettono ai CIS di svolgere funzioni completamente diverse.

Tenendo conto di ciò, è ipotizzabile che in futuro i ricercatori possano utilizzare la struttura multi-modulo in biomedicina e riprogettarla in modo che i fucili subacquei possano colpire specifici tipi di cellule e sparare farmaci o agenti antimicrobici.

Questo articolo è basato su un testo di Jessica Stanisich.