La nuova e diffusa capacità di alcuni virus di monitorare il loro ambiente potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di farmaci antivirali
Una nuova ricerca condotta dall'University of Maryland Baltimore County (UMBC), pubblicata da Frontiers in Microbiology (1), suggerisce che i virus stanno usando le informazioni dal loro ambiente per “decidere” quando rimanere saldamente all'interno dei loro ospiti e quando moltiplicarsi ed esplodere, uccidendo la cellula ospite. Il lavoro ha implicazioni per lo sviluppo di farmaci antivirali.
La capacità di un virus di percepire il suo ambiente, compresi gli elementi prodotti dal suo ospite, aggiunge «un altro livello di complessità all'interazione virale-ospite», afferma il dottor Ivan Erill (2), professore di scienze biologiche e autore senior del nuovo documento. In questo momento, i virus stanno sfruttando questa capacità a loro vantaggio. Ma in futuro, dice, «potremmo sfruttarlo a loro danno».
Non è una coincidenza
Il nuovo studio si è concentrato sui batteriofagi, virus che infettano i batteri, spesso indicati semplicemente come “fagi”. I fagi nello studio possono infettare i loro ospiti solo quando le cellule batteriche hanno appendici speciali, chiamate pili e flagelli, che aiutano i batteri a muoversi e accoppiarsi. I batteri producono una proteina chiamata CtrA che controlla quando generano queste appendici. Il nuovo documento mostra che molti fagi dipendenti dall'appendice hanno modelli nel loro DNA in cui la proteina CtrA può attaccarsi, chiamati siti di legame. Un fago che ha un sito di legame per una proteina prodotta dal suo ospite è insolito, dice Erill.
Erill che è il primo autore del giornale di Elia Mascolo, un Ph.D. studente nel laboratorio di Erill, ha scoperto attraverso un'analisi genomica dettagliata che questi siti di legame non erano unici per un singolo fago, o anche per un singolo gruppo di fagi. Molti diversi tipi di fagi avevano siti di legame CtrA, ma tutti richiedevano che i loro ospiti avessero pili e/o flagelli per infettarli. Non poteva essere una coincidenza, decisero.
La capacità di monitorare i livelli di CtrA «è stata inventata più volte durante l'evoluzione da diversi fagi che infettano diversi batteri», afferma il dottor Ivan Erill. Quando specie lontanamente imparentate dimostrano un tratto simile, si chiama evoluzione convergente e indica che il tratto è decisamente utile.
Il tempismo è tutto
Un'altra ruga nella storia: il primo fago in cui il team di ricerca ha identificato i siti di legame CtrA infetta un particolare gruppo di batteri chiamati Caulobacterales. I caulobatteri sono un gruppo di batteri particolarmente ben studiato, perché esistono in due forme: una forma “sciame” che nuota liberamente e una forma “a gambo” che si attacca a una superficie. Gli sciami hanno pili/flagella e gli steli no. In questi batteri, CtrA regola anche il ciclo cellulare, determinando se una cellula si dividerà in modo uniforme in altre due cellule dello stesso tipo o si dividerà in modo asimmetrico per produrre una cellula sciame e una cellula staminale.
Poiché i fagi possono infettare solo le cellule dello sciame, è nel loro interesse uscire dal loro ospite solo quando sono disponibili molte cellule dello sciame da infettare. Generalmente, i Caulobacterales vivono in ambienti poveri di nutrienti e sono molto diffusi. «Ma quando trovano una buona sacca di microhabitat, diventano cellule pedinate e proliferano», dice Erill, «producendo alla fine grandi quantità di cellule sciame».
Quindi, «Ipotizziamo che i fagi stiano monitorando i livelli di CtrA, che salgono e scendono durante il ciclo di vita delle cellule, per capire quando la cellula sciame sta diventando una cellula staminale e sta diventando una fabbrica di sciami», spiega Erill, «e a quel punto hanno fatto esplodere la cella, perché ci saranno molti sciami nelle vicinanze da infettare».
Ascoltando dentro
Sfortunatamente, il metodo per dimostrare questa ipotesi è laborioso ed estremamente difficile, quindi non faceva parte di questo ultimo articolo, anche se Erill e colleghi sperano di affrontare questa domanda in futuro. Tuttavia, il team di ricerca non vede altre spiegazioni plausibili per la proliferazione di siti di legame CtrA su così tanti fagi diversi, che richiedono tutti pili/flagella per infettare i loro ospiti. Ancora più interessanti, osservano, sono le implicazioni per i virus che infettano altri organismi, persino gli esseri umani.
«Tutto ciò che sappiamo sui fagi, ogni singola strategia evolutiva che hanno sviluppato, ha dimostrato di tradursi in virus che infettano piante e animali», dice. «È quasi scontato. Quindi, se i fagi ascoltano i loro ospiti, i virus che colpiscono gli esseri umani sono destinati a fare lo stesso».
Ci sono alcuni altri esempi documentati di fagi che monitorano il loro ambiente in modi interessanti, ma nessuno include così tanti fagi diversi che impiegano la stessa strategia contro così tanti ospiti batterici.
«Questa nuova ricerca è la «prima dimostrazione ad ampio raggio che i fagi ascoltano cosa sta succedendo nella cellula, in questo caso, in termini di sviluppo cellulare», dice Erill. Ma altri esempi sono in arrivo, prevede. I membri del suo laboratorio hanno già iniziato a cercare recettori per altre molecole regolatrici batteriche nei fagi, dice, e li stanno trovando.
Nuove vie terapeutiche
Il dottor Ivan Erill dice: «Il punto chiave di questa ricerca è che «il virus sta usando le informazioni cellulari per prendere decisioni e se sta accadendo nei batteri, sta quasi sicuramente accadendo nelle piante e negli animali, perché se è una strategia evolutiva che ha senso, l'evoluzione lo scoprirà e lo sfrutterà».
Ad esempio, per ottimizzare la sua strategia di sopravvivenza e replicazione, un virus animale potrebbe voler sapere in che tipo di tessuto si trova o quanto sia robusta la risposta immunitaria dell'ospite alla sua infezione. Sebbene possa essere inquietante pensare a tutte le informazioni che i virus potrebbero raccogliere e possibilmente utilizzare per farci ammalare, queste scoperte aprono anche strade per nuove terapie.
«Se stai sviluppando un farmaco antivirale e sai che il virus sta ascoltando un segnale particolare, allora forse puoi ingannare il virus. Questo è a diversi passi di distanza, tuttavia. Per ora, Stiamo appena iniziando a renderci conto di quanto attivamente i virus ci tengano d'occhio, di come monitorano ciò che accade intorno a loro e prendono decisioni basate su questo. È affascinante, conclude il dottor Ivan Erill.
Riferimenti:
(2) Ivan Erill
Descrizione foto: Un batteriofago delta, il primo identificato in un nuovo studio in Frontiers in Microbiology ad avere siti di legame per CtrA, una proteina prodotta dall'ospite del batteriofago che regola la produzione di pili e flagelli. La presenza di questi siti di legame solo nei fagi che richiedono che le loro cellule ospiti abbiano pili/flagella per infettarli suggerisce che il fago stia monitorando la presenza di questa proteina per “decidere” se rimanere fermi o replicarsi ed emergere da sua cellula ospite. - Credit: Tagide deCarvalho/UMBC.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New UMBC research finds that viruses may have “eyes and ears” on us