Gli E.coli usati come fabbriche per produrre nuovi efficaci antibiotici

Capire un passo alla volta un sistema immunitario batterico (17 Maggio 2011) - I ricercatori hanno compiuto un passo importante nella comprensione di un sistema immunitario di batteri, una scoperta che avrà implicazioni per le cure mediche , sia nella farmaceutica che nella produzione di latticini . - Un nuovo studio riporta che un predatore virale dei batteri del colera, ha rubato il sistema immunitario funzionale dei batteri e lo sta usando contro il suo ospite batterico. I microbi intestinali battagliano contro un insieme comune di virus condivisi dalle popolazioni globali (25 giugno 2012) - L'intestino umano è sede di un ecosistema brulicante di microbi che sono intimamente coinvolti nella salute umana e nelle malattie perché il microbiota intestinale interagisce con il nostro corpo. Nuove intuizioni sul sistema immunitario, sorprendentemente flessibile, presenti nei batteri,per combattere i virus e nella lotta contro altri invasori mediante l’uso di DNA estraneo è stato rivelato dai ricercatori. I virus possono avere sistemi immunitari: un fago Pirate requisisce il sistema immunitario di batteri (27 febbraio 2013)

Può essere una sorpresa apprendere che i batteri hanno un sistema immunitario - nel loro caso per combattere i virus invasivi chiamati fagi. E come ogni sistema immunitario - da unicellulari per la salute umana -la prima sfida del sistema immunitario batterico è di rilevare la differenza tra e auto e 'straniero'.

"Una cellula batterica come riconosce il proprio DNA.”Questa è una procedura tutt'altro che semplice, in quanto virus, batteri e tutti gli esseri viventi sono fatti di DNA e proteine.

Un gruppo di ricercatori del Weizmann Institute of Science e University di Tel Aviv hanno rivelato esattamente come fanno , i batteri a riconoscere il loro DNA. I risultati sono stati pubblicati su Nature.

"Nella maggior parte degli ambienti, i fagi sono circa dieci volte più abbondante dei batteri. E, come tutti i virus, i fagi utilizzano meccanismi di replica della cellula ospite per fare copie di se stessi, -dice il prof Rotem Sorek dipartimento di Genetica molecolare del Weizmann Institute. E sono in costante evoluzione con nuovi modi per farlo. Quindi i batteri hanno bisogno di un sistema immunitario molto attivo per sopravvivere. Ma fino a poco tempo fa, gli scienziati non erano nemmeno sicuri che i batteri avessero un cosiddetto sistema immunitario adattativo - cioè quello che "ricorda" un incontro passato per produrre una risposta mirata. L’ipotesi è cambiata diversi anni fa, quando è stato scoperto un sistema adattivo batterico chiamato CRISPR. Il meccanismo immunitario CRISPR non è solo fondamentale per i batteri, ma ha un grande impatto sulla nostra vita quotidiana: oggi è utilizzato, ad esempio, per proteggere i batteri "buoni" che rendono lo yogurt e il formaggio. E può anche influenzare il nostro futuro. Gli scienziati hanno capito come utilizzare il sistema CRISPR, ingegnoso per "modificare" il genoma umano - che lo rende uno strumento utile per una vasta gamma di applicazioni cliniche. Per ricordare una infezione, il sistema CRISPR afferra una breve sequenza DNA dell’ invasione virale e lo inserisce direttamente nel genoma batterico. I frammenti di DNA del fago sono memorizzati in apposite sezioni del genoma; queste costituiscono la memoria immunitaria. In successive infezioni, CRISPR utilizza queste sequenze per creare brevi filamenti di RNA che si adattano alla sequenza genetica di parenti dei fagi. Complessi proteici collegati a questo RNA poi identificano il DNA del fago e lo distruggono. La selettività è chiaramente un problema per un sistema del genere. Precedenti ricerche nel laboratorio del Sorek aveva dimostrato che i bit erroneamente afferrando l’auto-DNA, causano alla cellula batterica una sorta di malattia autoimmune ,per la quale attacca il suo DNA, e il risultato può essere fatale per i batteri. Con circa 100 volte più auto DNA estraneo all'interno della cellula, dice Sorek, vi è più spazio per molti più errori di quanto i ricercatori hanno effettivamente osservato. Come funziona il sistema CRISPR che sa come inserire frammenti di DNA stranieri in memoria immunitaria, piuttosto che di sé? Sorek e il suo allievo ricerche Asaf Levy collaborando con il prof. Udi Qimron e Moran Goren dell'Università di Tel Aviv hanno risposto a questa domanda in dettaglio, rivelando un complesso meccanismo “multi-step” per questa parte del processo CRISPR. Hanno messo a punto un apparato sperimentale usando plasmidi - brevi pezzi circolari di DNA che imitano i virus – che hanno iniettato nelle cellule batteriche. Questi batteri hanno due proteine note come CAS1 e CAS2 - parti del sistema CRISPR- responsabili per l'acquisizione dei pezzi di DNA estraneo. Il sistema CRISPR incorporava con successo il DNA plasmidico nel genoma batterico, mentre il "self" cioè l’auto DNA veniva solo raramente attaccato. Il team ha registrato circa 38 milioni di eventi di immunizzazione separati. Guardando più da vicino i risultati, il team ha scoperto che il sistema CRISPR, utilizzando le proteine Cas 1 e 2, individua specificamente il DNA che replica rapidamente. Così, ironicamente, è la sopravvivenza tattica del fago - la sua auto programmazione per replicarsi a tutti i costi - che dimostra di essere la sua rovina. "Eppure, -dice Sorek-, questo non spiega completamente come il sistema CRISPR distingua tra il sé e non-sé." La soluzione è venuta da una più profonda comprensione del processo. Durante la replicazione del DNA, piccole rotture si verificano spesso nel DNA; queste interruzioni, richiamano una enzima riparatore del DNA che "mangia" un po’ di DNA rotto. Il team ha scoperto che i "resti" di roditura della macchine riparatrici sono in realtà la fonte del DNA virale, utilizzato dal sistema per generare col CRISPR la memoria immunitaria del batterio. Ma quando quell’enzima riparatorio incontra una breve sequenza chiamato "sito Chi,"la sua roditura si ferma. Tali sequenze Chi si trovano molto spesso in tutto il genoma batterico, ma raramente in quella virale. Quindi i siti Chi servono anche come marcatori "auto": Rifiutano l'attività della macchina CRISPR quando sono presenti, ma gli permettono di utilizzare pezzi di DNA del fago se mancano. Così la cellula batterica utilizza i processi di replicazione del DNA e riparazione normali per identificare il DNA del fago, non solo come controllo, ma anche attivando un duplice controllo perchè il nuovo DNA, si differenzia in due modi fondamentali dal "sé" del genoma. Attraverso l'attività delle due proteine CRISPR - CAS1 e 2 - il sistema immunitario batterico può assicurare che aggiunge solo DNA estraneo, alla sua "memoria" immunitaria e può quindi attivare le sue difese. Sorek: "Risolvere l'enigma di auto rispetto al non-auto per il sistema immunitario batterico e decifrare il meccanismo esatto di questa fase del processo di CRISPR , ci dà informazioni importanti nel confronto invisibile che sta avendo luogo ovunque, intorno a noi, per tutto il tempo.” Qimron: "La soluzione batterica di eludere l’autoimmunità potrebbe essere utilizzata in applicazioni cliniche future che sfruttano il sistema CRISPR."

I dischi filtranti bianchi come azienda che produce antibiotici siedono sulla capusula di Petri come abitazioni per erogare eritromicina a Bacillus subtilis resistente . I dischi filtranti cerchiati in rosso in possesso di nuove forme di eritromicina creato da University di ricercatori di Buffalo, e l'alone scuro intorno a loro indica che il farmaco è migrato fuori per uccidere i batteri.

Come un produttore di latte tende ad allevare una mandria di mucche per la produzione di latte, i ricercatori tendono ad allevare colonie di batteri Escherichia coli ( E. coli) per produrre nuove forme di antibiotici – tre di essi già sono promettenti verso i batteri resistenti ai farmaci da combattimento.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Anticipi di scienza, è stata guidata da Blaine A. Pfeifer, professore associato di ingegneria chimica e biologica presso l'Università di Buffalo -Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate-. La sua squadra comprendeva Guojian Zhang, Yi Li e Lei Fang,che hanno operato presso il dipartimento di Chimica e Ingegneria Biologica .Per più di un decennio, Pfeifer, ha studiato come ingegnere il batterio E. coli allo scopo di generare nuove varietà di eritromicina, un popolare antibiotico. Nel nuovo studio, insieme ai suoi colleghi, riferisce che hanno fatto questo con successo, sfruttando E. coli capace di sintetizzare decine di nuove forme del farmaco con una struttura leggermente diversa rispetto alle versioni esistenti. Tre di queste nuove varietà di eritromicina, hanno ucciso con successo batteri della specie Bacillus subtilis che erano resistenti alla forma originale di eritromicina, usata in clinica. ”Siamo concentrati nel tentativo di trovare nuovi antibiotici ,- ha detto Pfeifer, - che possono superare la resistenza agli antibiotici, e questo è stato un importante passo avanti. Non solo abbiamo creato nuovi analoghi di eritromicina, ma -ha detto- anche sviluppato una piattaforma per l'utilizzo di E. coli capace di produrre varietà dell’antibiotico. Questo apre la porta alle possibilità di ingegneria supplementari in futuro; potrebbe portare ad ancora di più nuove forme del farmaco “.Lo studio è particolarmente importante con la resistenza agli antibiotici in aumento. Eritromicina è usato per trattare una varietà di malattie, dalla polmonite e pertosse alla pelle e infezioni del tratto urinario.

E. coli utilizzato come nuova fabbrica per produrre nuove molecole di eritromicina

Ottenere E. coli per produrre nuovi antibiotici è stato una sorta di Santo Graal per i ricercatori sul campo .Questo perché E. coli cresce rapidamente, accelera passaggi sperimentali e aiuti gli sforzi per sviluppare e aumentare la produzione di farmaci. La specie accetta anche nuovi geni in modo relativamente semplice, e ciò lo rende un ottimo candidato per l'ingegneria genetica. Mentre le notizie spesso si concentrano sui pericoli di E. coli , la maggior parte dei tipi di questo batterio sono in realtà innocui, compresi quelli utilizzati dal team di Pfeifer in laboratorio. Nel corso degli ultimi undici anni, la ricerca di Pfeifer si è concentrata sulla manipolazione di E. coli in modo che l'organismo produca tutti i materiali, necessari per la creazione di eritromicina. Si può pensare a questo come la conservazione di una fabbrica con tutte le parti necessarie e le attrezzature per la costruzione di una macchina o di un aereo. Con quella fase della completa ricerca, Pfeifer si è ora rivolto al prossimo obiettivo: ottimizzare il modo in cui la sua ingegneria su E. coli che produca eritromicina in modo che il farmaco prodotto sia leggermente diverso rispetto alle versioni utilizzate oggi negli ospedali. Questo è il tema della nuova ricerca. Il processo di creazione di eritromicina inizia con tre elementi di base chiamati precursori metabolici - composti chimici che vengono combinati e manipolati attraverso un processo simile alla linea di assemblaggio per formare il prodotto finale, eritromicina. Per costruire nuove varietà di eritromicina con una forma leggermente diversa, gli scienziati possono teoricamente colpire qualsiasi parte di questa linea di montaggio, utilizzando varie tecniche per apporre parti con strutture che si discostano leggermente dalle originali. (In una catena di montaggio per automobili, questo sarebbe come l’avvitamento su una maniglia con una forma leggermente diversa). Nel nuovo studio, il team di Pfeifer si è focalizzato su un punto nel processo di costruzione che aveva precedentemente ricevuto scarsa attenzione da parte dei ricercatori, un passaggio verso la fine del processo. I ricercatori hanno focalizzato l’attenzione sull'uso di enzimi per collegare 16 differenti forme delle molecole di zucchero ad una molecola chiamata 6-deoxyerythronolide B. Ciascuna di queste molecole di zucchero è stato assemblata con successo, portando, alla fine della linea di assemblaggio, ad oltre 40 nuovi analoghi di eritromicina - tre dei quali ha mostrato una capacità di combattere i batteri resistenti all'eritromicina in esperimenti di laboratorio.”Il sistema creato è sorprendentemente flessibile, -ha detto Pfeifer- e questa è una delle grandi sue capacità. Abbiamo stabilito una piattaforma per l'utilizzo di E. coli per produrre eritromicina, e ora che ce l'abbiamo, possiamo iniziare ad alterarla in modo nuovo”.