Scoperti i processi chimici che rendono i batteri resistenti agli antibiotici
Biofilm di Staphylococcus aureus
Gli scienziati dello Scripps Research Institute sono riusciti a far luce sul complesso processo chimico che permette ai batteri di formare un biofilm protettivo che conferisce alle singole cellule resistenza agli antibiotici e al sistema immunitario dell’ospite.
Nonostante la formazione di biofilm sia stata ampiamente documentata della fisiologia batterica da più di un secolo, solo ora si inizia a comprendere il processo a livello molecolare. In medicina sono in particolare i biofilm composti da una singola specie a suscitare notevole interesse. Si tratta infatti di batteri in grado di formare una pellicola viscosa sulla superficie di impianti medici (come valvole cardiache e cateteri) e di causare una grande varietà di infezioni potenzialmente mortali. Tra queste, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Vibrio colera, Staphylococcus epidermidis e Staphylococcus aureus.
La ricerca ha descritto in modo dettagliato per la prima volta le modalità con cui l’ossido nitrico, una molecola di segnalazione del sistema immunitario, porta alla formazione del biofilm. “Si stima che circa l’80 per cento degli agenti patogeni umani formi del biofilm durante una parte del proprio ciclo vitale”, ha affermato Michael Marletta, presidente e amministratore delegato dello Scripps Research, che ha guidato il lavoro pubblicato sulla rivista Molecular Cell.
La formazione di pellicola è un fenomeno fondamentale che si verifica quando le cellule batteriche aderiscono l’una all’altra e alla superficie, sia per riprodursi e svilupparsi sia per far fronte agli attacchi esterni. In queste aggregazioni, le cellule situate sulla parte esterna del biofilm sono potenzialmente ancora sensibili agli antibiotici naturali o farmaceutici, mentre le cellule interne sono relativamente protette. E ciò può rendere difficile la loro eliminazione con trattamenti convenzionali.
Il laboratorio di Marletta da anni osserva i processi che interessano l’ossido nitrico – un mediatore endogeno coinvolto in processi particolarmente importanti come la vasodilatazione e la trasmissione degli impulsi nervosi – e ricerche passate hanno rivelato che influenza la formazione dei biofilm batterici. L’ossido di azoto in quantità sufficiente è tossico per i batteri, quindi per i ricercatori era logico supporre che l’ossido nitrico avrebbe innescato il processo di difesa, la loro adesività e la formazione di biofilm, ma come questo avvenisse di preciso non era ancora noto.
Nei vertebrati, l’ossido nitrico può legarsi alla famiglia di proteine definita H-NOX (heme nitric oxide/oxigen-binding proteins) su un enzima specifico, attivare l’enzima e dare il via alle reazioni chimiche a cascata che portano a funzioni fisiologiche come la dilatazione dei vasi sanguigni. Anche molti batteri hanno i domini H-NOX, e tra questi, numerosi agenti patogeni chiave. Esaminando i dati genomici, i ricercatori sono stati in grado di dedurre una connessione tra il dominio batterico H-NOX e un enzima chiamato istidina chinasi, che trasferisce i gruppi fosfati alle altre molecole nei percorsi di segnalazione. Il gruppo di Marletta ha già esplorato il ruolo dell’ossido nitrico nel controllo della malattia del legionario e in futuro intende far luce sulla formazione di biofilm nel batterio che causa il colera.
Gli esperimenti condotti con la tecnica del phosphotransfer profiling hanno rivelato che l’istidina chinasi fosforila (dal verbo fosforilare, che significa aggiungere un gruppo fosfato PO4 a una proteina specifica) tre proteine – chiamate regolatori di risposta – che lavorano insieme per controllare la formazione di biofilm nel batterio esaminato nello studio, lo Shewanella oneidensis, presente nei sedimenti lacustri. Dopo ulteriore lavoro è emerso che ciascun regolatore gioca un ruolo complementare, rendendo il sistema particolarmente complesso. Un regolatore attiva l’espressione dei geni, un altro controlla l’attività di un enzima che produce monofosfato ciclico di diguanosine (un messaggero molecolare che si muove da una cellula batterica all’altra, essenziale nella formazione di biofilm) e il terzo regola il grado di attività del secondo.
Il processo chimico osservato in questo studio è proprio di diverse specie batteriche e la scoperta potrebbe favorire lo sviluppo di nuovi trattamenti mirati a colpire i biofilm di una vasta gamma di infezioni umane. Per esempio, i ricercatori potrebbero riuscire a bloccare la formazione di biofilm con farmaci che interrompono l’attività di uno dei componenti della cascata di ossido nitrico descritta.
