Malacidine: una rivoluzione per la ricerca di nuovi antibiotici?

L’enorme ventaglio di antibiotici disponibili nel mercato non sembra essere sufficiente per combattere una delle principali cause di morte a livello globale, le malattie infettive. Come sappiamo da articoli precedenti, il principale responsabile di questa problematica è proprio la società che, con il suo abuso e/o incorretto uso di antibiotici ha inesorabilmente determinato la nascita di nuove forme batteriche resistenti ai trattamenti antibiotici convenzionali.

Se da un lato incolpiamo la nostra sciagurata forma mentis, dall’altro esiste la reale difficoltà da parte della comunità scientifica nell’individuare nuove classi di antibiotici, dato l’elevato tasso di riscoperta e l’impossibilità di riprodurre in laboratorio la stessa diversità batterica che troviamo in vivo. Per questo motivo, nonostante l’implementazione di metodi di fermentazione batterica sempre più fedeli alle condizioni reali, la maggior parte dei prodotti naturali del microbioma globale rimangono inaccessibili.

Nel tentativo di accedere a questi potenziali composti terapeutici, un gruppo di ricercatori dell’Università di Rockfeller, negli USA,  ha implementato una piattaforma coltivo-indipendente che riunisce le tecnologie più avanzate del sequenziamento, analisi bioinformatiche ed espressione eterologa al fine di individuare cluster genici di biosintesi. Il tutto a partire da DNA estratto da un determinato campione ambientale. Ed è proprio grazie a questa metodologia che gli studiosi sono stati capaci di individuare una nuova classe di antibiotici attivi contro una classe di batteri farmaco- resistenti, MRSA (Stapahilococcus aureus methicillin resistant): le MALACIDINE.

Insomma, partire dalla foce per risalire alla sorgente. L’importanza di questo studio risiede infatti nell’inaugurazione di una nuova procedura di indagine che si inserisce direttamente all’interno di un approccio già riconosciuto e consolidato nel campo della ricerca di nuovi prodotti naturali con il nome di Genome Mining.

Ma a cosa ci riferiamo quando parliamo di Genome Mining? Bene, prima di tutto è opportuno specificare che la biosintesi di un antibiotico naturale in una “fabbrica batterica” è possibile grazie alla presenza di un cluster genico di biosintesi: un gruppo di geni controllati da uno stesso promotore che codificano per proteine con funzionalità diverse, ma tutte coinvolte nella sintesi del prodotto specifico. L’approccio del Genome Mining si basa sulla capacità di predizione della mappa genica di un cluster di biosintesi grazie alla presenza di elementi genici conservativi al suo interno. Ovviamente questa procedura non sarebbe possibile senza l’implementazione di avanzate tecniche di sequenziamento e approfondite analisi bioinformatiche.

La scoperta delle malacidine si distingue all’interno di questo approccio per aver tentato l’impossibile: partire dal DNA TOTALE estratto da diversi campioni ambientali di terreno per individuare un nuovo cluster di biosintesi a partire da un unico elemento genico conservativo.

L’ipotesi di partenza consisteva nell’identificare un nuovo gruppo di antibiotici all’interno della classe di antibiotici calcio-dipendenti. Pertanto, la sequenza Asp-X-Asp-Gly, un motivo caratteristico di questi composti probabilmente implicato nel legame con il calcio, è stata scelta come elemento genico conservativo a partire dal quale è stata avviata la procedura di screening dei genomi sequenziati.

L’analisi è stata condotta con una collezione di 2000 campioni di terreno prelevati da ambienti geograficamente ed ecologicamente differenti. Un lavoro grandioso di sequenziamento basato su una metodologia di targeting specifica per la classe di antibiotici ricercati ha portato all’identificazione di un e-DNA che si ripeteva nel 19% dei metagenomi e che è stato direttamente associato con la biosintesi di un nuovo gruppo di composti naturali: le malacidine.

La costruzione di una libreria di cosmidi in Escherichia Coli e l’applicazione di procedure metagenomiche hanno  quindi portato alla predizione e successiva identificazione della mappa genica del cluster genico di biosintesi delle malacidine derivante dall’overlapping di 3 cosmidi: una regione che si estende per ben 72 chilo basi.

a) il cluster genico di biosintesi delle malacidine derivante dall’overlapping di 3 cosmidi assemblato in lievito usando la tecnica di trasformazione ricombinazione-associata b) Il BAC risultante è stato espresso nel genoma di S. albus per studi di espressione eterologa.

Analisi di espressione eterologa delle malacidine in Streptomyces albus ne hanno confermato l’azione antibatterica contro specie Gram-positive, mentre analisi di spettrometria di massa e NMR ne hanno rivelato la struttura chimica. Le malacidine formano un gruppo di 10 lipopeptidi ciclici che si distinguono solo dalla presenza di un metilene a livello della loro coda lipidica.

Sorprendentemente, questi composti non contengono il classico motivo di legame con il calcio Asp-x-Asp-Gly ma una sua variante, l’acido 3-Aspartico suggerendo, quindi, un meccanismo d’azione differente in cui il calcio sembra comunque svolgere un ruolo importante nella disregolazione della membrana lipidica.

Struttura chimica della Malacidina A e Malacidina B

Le malacidine sono largamente attive contro diverse specie batteriche Gram positive e patogeni multi resistenti. Gli studiosi hanno infatti testato la loro efficacia su un modello murino di infezione da Staphilococcus. Dopo 24 e 72 ore i bordi della ferita indotta sul ratto risultavano privi di infezione batterica.

Nonostante questa nuova scoperta sia di rilevante importanza per il trattamento di infezioni antibiotico-resistenti, si tratta comunque di una classe di antibiotici attivi solo contro specie batteriche Gram-positive, caratterizzate pertanto da un minore spettro d’azione. La rivoluzione di questo studio consiste invece nel proporre un nuovo metodo di indagine nell’ambito della ricerca di valide alternative terapeutiche a quelle clinicamente disponibili per le malattie infettive. Un approccio predittivo in cui la conoscenza acquisita e l’applicazione di un rigoroso metodo scientifico ci permettono di trovare quel prezioso ago nel pagliaio.

Serena Galiè

Fonti:

  • Culture-independent discovery of the malacidins as calcium-dependent antibiotics with activity against multidrug-resistant Gram-positive pathogens (M.Hover et al., 2018)

Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l’Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l’Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l’Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

Informazioni su Serena Galié 19 Articoli
Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l'Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l'Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l'Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

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