Un terzo tipo di trasduzione fa sfrecciare l’evoluzione

Bacteriophages attacking bacteria, transmission electron micrograph (TEM) of bacteriophage virus particles (virions, green) attacking a bacterial cell (orange).

I batteri si adattano ai cambiamenti ambientali a una velocità sorprendente. Dall’introduzione di un nuovo farmaco alla comparsa di ceppi resistenti passa in media poco tempo, anche solo uno o due anni. In pratica, impieghiamo più tempo noi a scoprire nuove medicine di quanto ne occorre ai batteri per imparare a difendersi. È un testa a testa continuo, ma quelli che rischiano di perdere questa guerra siamo quasi sempre noi.

I batteri hanno i loro trucchi per adattarsi rapidamente: possono trasferire materiale genetico non solo in “verticale” (quindi da una cellula madre alle cellule figlie) ma anche in “orizzontale”, cioè ad un’altra cellula non discendente. Ma anche così, la velocità con cui emergono certi casi di antibiotico-resistenza risultava quasi inspiegabile…fino ad ora! Gli scienziati hanno pubblicato su Science la scoperta di un nuovo meccanismo di trasduzione, ossia di trasferimento genico tra batteri mediato dai virus, che si verifica molto più spesso degli altri.

Cosa sappiamo sulla trasduzione?

I virus che infettano i batteri si chiamano batteriofagi o fagi. Introducono il loro DNA nel batterio e producono copie di sé stessi mediante il macchinario cellulare dell’ospite, che, riempitosi di particelle virali, “esplode,” rilasciandole all’esterno. Questo viene chiamato ciclo litico, perché conduce in poco tempo alla lisi della cellula batterica.

Esiste anche una seconda strategia, nota come ciclo lisogenico, che richiede un po’ più di “pazienza”. Anziché iniziare subito la replicazione, il fago integra il proprio DNA nel cromosoma del batterio ospite e ci rimane anche per generazioni. È un piccolo frammento di DNA estraneo (profago) che aspetta solo il momento giusto per venire fuori. Solo allora, si taglia fuori dal cromosoma batterico e inizia finalmente a replicare il proprio DNA, rimasto a lungo quiescente. Infatti, lo “confeziona” all’interno di nuove particelle fagiche, proseguendo con la fase finale del ciclo litico.

Fig.1 Ciclo litico e lisogenico

In entrambi i cicli, è possibile che per errori di copiatura del DNA vengano incorporati all’interno delle particelle fagiche anche piccoli frammenti di DNA batterico. Quando i nuovi fagi infettano altri batteri, iniettano non solo il proprio materiale genetico, ma anche porzioni più o meno estese di DNA batterico. I fagi sono quindi il tramite per un trasferimento orizzontale di geni tra cellule non discendenti.

Finora erano noti due tipi di trasduzione: generalizzata e specializzata. Nella prima, vengono incorporati frammenti casuali di DNA batterico durante il ciclo litico; nella seconda vengono incorporati solo i geni direttamente adiacenti al sito d’inserzione del profago, a seguito di un taglio non proprio preciso nella fase di escissione del ciclo lisogenico.

Non c’è due senza tre

Insomma, la trasduzione potrebbe essere uno dei meccanismi che accelerano l’evoluzione dei batteri e, purtroppo, anche la comparsa della resistenza agli antibiotici. Tuttavia, né la trasduzione generalizzata né quella specializzata avvengono con una frequenza tale da giustificare, ad esempio, la velocità con cui compaiono determinati ceppi resistenti. Allora quale è il trucco?

A fianco dei tradizionali meccanismi di trasduzione ce ne sarebbe un terzo, che fino ad ora era stato osservato solo in ceppi mutanti di laboratorio. I ricercatori hanno però scoperto che questo si verifica anche naturalmente, e con una frequenza 1000 volte maggiore rispetto agli altri due!

È stata ribattezzata “trasduzione laterale” ed è molto simile a quella specializzata, tranne che per un dettaglio: l’escissione del profago si verifica in ritardo e di conseguenza il DNA virale viene replicato mentre è ancora integrato nel genoma dell’ospite. Così la probabilità di commettere “errori” aumenta.

Il macchinario che replica il DNA del profago potrebbe infatti non fermarsi al termine della sequenza virale, ma copiare anche una porzione del cromosoma batterico adiacente. E a quanto pare non è una possibilità così remota. In aggiunta, la porzione di DNA batterico trasferita è molto più estesa dei “frammenti” incorporati negli altri due tipi di trasduzione: tutto quello che entra fisicamente nella particella virale viene copiato, interi blocchi di genoma definiti “ipermobili“.

Il “record” di Staphylococcus aureus

Il punto di partenza è stato proprio lui, Staphylococcus aureusCeppi resistenti di stafilococco emergono dopo uno o due anni dall’introduzione di un nuovo farmaco: troppo velocemente!

Fig.2 Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA)

La trasduzione laterale potrebbe essere la risposta. È proprio studiando questa specie che i ricercatori hanno scoperto la sua esistenza. Che la trasduzione giocasse un ruolo nell’evoluzione dei batteri e anche nella comparsa delle antibiotico-resistenze era noto, ma era ritenuto un ruolo piuttosto marginale.

Ora sappiamo che non è così. Forse i batteri riescono a correre più veloci di noi perché hanno dei “mezzi di trasporto” speciali per i loro geni. I prossimi studi cercheranno di capire quanto la trasduzione laterale sia frequente nel mondo batterico, indagando più specie batteriche e monitorandole nel loro ambiente naturale.

Erika Salvatori

Fonte:

Chen, J. et al. (2018). Genome hypermobility by lateral trasduction. Science Vol. 362, Issue 6411, pp. 207-212

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Laureata in Biotecnolgie Industriali, mi occupo di ricerca in onco-immunologia e di divulgazione e comunicazione della scienza.

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