Mucine: le proteine che disarmano il batterio Pseudomonas aeruginosa

Il muco, sostanza umida e filamentosa, è una secrezione naturale prodotta da alcune cellule specializzate, utile a rivestire superfici delicate del nostro corpo, di solito in contatto con l’ambiente esterno o con agenti da esso provenienti. La materia colloidale che lo caratterizza è composta da glicoproteine, dette mucine, ma anche da acqua e sostanze inorganiche. Il tormento notturno dei nostri raffreddori rivela, oggi, una nuova qualità antibatterica di tutto rispetto.

Mucose e mucine: limiti quasi invalicabili per gli invasori

Uno strato di gel viscoso delimita tutti gli epiteli umidi del corpo umano, compresi occhi, polmoni oltre ai tratti gastrointestinale ed urogenitale. Il muco è, infatti, la prima linea di difesa mentre ospita innumerevoli comunità microbiche, che compongono il microbiota.

Solo saltuariamente, in effetti, i microrganismi residenti causano infezioni in un muco sano, dimostrando con ciò, già, l’esistenza di presìdi biochimici che, in tale matrice colloidale, regolano e modulano il loro grado di virulenza.

Da barriera fisica ad agente chimico contro le infezioni batteriche: lo studio

I ricercatori, guidati da Kelsey M. Wheeler, hanno studiato il comportamento del batterio Pseudomonas aeruginosa (Fig.1) all’interno di un modello sperimentale in 3D di muco intestinale nativo di suino. Essi sono riusciti a documentare quanto l’esposizione al muco attivasse una “regolazione al ribasso” (down-regulation) dell’espressione genica di fattori di virulenza del batterio in questione (Fig.2).

I geni interessati dalla riduzione dell’espressione sono quelli responsabili della codificazione del quorum sensing, quelli coinvolti nella biosintesi dei siderofori e nella secrezione di tossine.

I target batterici delle mucine: come disarmare il nemico

Il quorum sensing (lasR), cioè il sistema di rilevamento del “quorum”, è un processo di comunicazione cellula-cellula che i batteri utilizzano per orchestrare il proprio comportamento di popolazione all’interno dell’ospite. Per siderofori, invece, devono intendersi veri e propri fattori di virulenza: il più noto e mirabile è la pioverdinaA (pvdA). Essa consiste in un sistema di acquisizione del ferro per il metabolismo batterico ma anche in un segnale per la trascrizione di altri fattori di virulenza. L’interferenza, quindi, con il normale svolgimento di queste funzioni batteriche ha fruttato agli scienziati risultati entusiasmanti.

La conseguenza immediata è stata, infatti, la rapida disgregazione dei biofilms marcatori di infiammazione mucosale.

Le mucine: neo-modulatori fenotipici

Il cambio fenotipico del batterio Pseudomonas aeruginosa è stato opera delle mucine, polimeri polipeptidici densamente innestati con glicani (porzioni glucidiche), che forniscono una struttura tridimensionale al muco.

Isolate le mucine, i ricercatori hanno rilevato che esse intervengono su vari piani della funzionalità batterica, sopprimendo cioè diverse vie patogenetiche di Pseudomonas aeruginosa. Tali glicoproteine, infatti, promuovono anche una dispersione spaziale (a mo’ di plancton) dei batteri. In più, le mucine riducono sia la tossicità microbica negli epiteli umani in vitro, sia lo stato infiammatorio in modelli suini, in vivo.

I modelli suini, si sa, sono ormai considerati i sistemi fisio-patologici più simili all’uomo e rappresentano, quindi, dei consolidati riferimenti sperimentali in laboratorio.

Nonostante siano state vagliate altre soluzioni polimeriche viscose, esse non hanno manifestato lo stesso effetto anti-virulenza su Pseudomonas aeruginosa. Con tale contro-prova, i ricercatori hanno scoperto anche che la funzione regolatoria delle mucine non dipende solo dal loro scheletro polipeptidico. Hanno quindi volto lo sguardo ai gruppi glucidici di innesto.

I glicani delle mucine sono il vero asso nella manica

Mediante ulteriori analisi, Wheeler e colleghi hanno compreso che le interazioni delle proteine del muco siano, in realtà, garantite proprio dalle piccole porzioni glucidiche dei glicani.

La struttura chimica delle mucine è composta da segmenti peptidici ripetuti, detti “ripetizioni tandem di numero variabile” (variable number of tandem repeats, VNTR). Questi tratti sono ricchi di siti accettori, utili a formare, con strutture omologhe, catene sempre più lunghe. Le mucine, inoltre, presentano centinaia di ramificazioni glucidiche, proprio in queste regioni, tanto da assumere l’aspetto al microscopio di scovolini lava-bottiglie (Fig.3)

Le mucine, con le loro ramificazioni di glicani, riducono la virulenza batterica.
Figura 3 – Le ramificazioni di glicani sono veri e propri modularori genici dei fattori di virulenza batterica.

Isolando i gruppi glucidici dalle glicoproteine, i ricercatori hanno potuto vagliare, inoltre, l’attività collettiva di centinaia di strutture chimiche complesse, in soluzione. Come gli scheletri peptidici, anche le ramificazioni di glicani, ormai libere, manifestavano la stessa regolazione efficace sulla virulenza batterica. E ciò anche a concentrazioni relativamente basse.

La funzione regolatoria, evidentemente, dipende dalla complessità dei glicani che si intercalano nello scheletro proteico delle mucine, visto che i semplici monosaccaridi non hanno, al contrario, fatto riscontrare alcuna attenuazione della virulenza batterica.

Pseudomonas aeruginosa, un temibile opportunista

Pseudomonas è un genere batterico il cui nome significa “apparentemente singolo” e deriva dall’aspetto originario rilevato al microscopio: questi microrganismi tendono, infatti, a disporsi a coppie che sembrano, di fatto, un’unica cellula.

Il ceppo scelto dai ricercatori per questo studio, Pseudomonas aeruginosa PAO1 (Fig.4), rappresenta un patogeno opportunista. Il batterio, infatti, non è particolarmente pericoloso per i soggetti sani, ma può risultare finanche mortale in soggetti immuno-depressi. Spesso costituisce la più grave complicanza nei grandi ustionati.

Pseudomonas aeruginosa è ridimensionato in virulenza proprio dalle mucine del muco, in modelli suini.
Figura 4 – Pseudomonas aeruginosa PAO1 è uno dei ceppi più utilizzati in laboratorio per la completezza delle informazioni sul suo genoma.

Gram negativo, noto per la perniciosità della sua infezione, Pseudomonas aeruginosa rappresenta uno degli agenti infettivi più attivi negli ambienti nosocomiali, case di cura, centri per anziani e centri di riabilitazione. Le sue manifestazioni patologiche possono intaccare organi ed apparati anche molto lontani tra loro:

  • sistema nervoso centrale
  • apparato scheletrico
  • sistema respiratorio
  • tratto gastro-enterico
  • occhi, orecchie, cute, etc.

Si tratta, di fatto, dell’agente patogeno più spesso isolato in pazienti la cui degenza ospedaliera si è protratta per più di una settimana. Quando sopraggiunge la morte, essa è preceduta, di solito, da polmonite e setticemia.

Negli anni, i batteri gram negativi si sono dimostrati capaci di eludere, più facilmente di altri, gli effetti citotossici dei comuni antibiotici (carbapenemi e cefalosporine ad ampio spettro). Eppure, l’aspetto di gran lunga più preoccupante è la acquisita abilità, di tali organismi, di trasferire i geni che conferiscono la stessa resistenza antibiotica ad altre specie batteriche. Oltre a Pseudomonas, altri generi “multi-drug-resistant” sono Acinetobacter, Enterobacteriaceae (Klebsiella, Escherichia Coli) ed i persisters di Salmonella.

Modulazione genetica della virulenza: il nuovo fronte di lotta

Il ruolo del fattore di virulenza pioverdina pvdA è talmente cruciale nella lotta alle infezioni da Pseudomonas aeruginosa, che quest’ultimo studio sta aprendo, insieme a molti altri, la strada ad un nuovo approccio antimicrobico. Al posto dei vecchi antibiotici, saranno farmaci anti-virulenza a disarmare i batteri patogeni sin nei loro geni, pur senza ridurne le popolazioni.

Il più grande vantaggio di un terapia così mirata e all’avanguardia sarà l’interruzione di un terribile circolo vizioso: la selezione di ceppi sempre più resistenti ed invincibili, con cui ancora oggi ci troviamo a fare i conti.

Si procede, così, speditamente, verso il drug repurposing ovvero la ricerca di farmaci già esistenti, dei quali sfruttare doti chimiche differenti da quelle originarie. Questa strabiliante capacità delle mucine, di ammansire l’indole patogena degli Pseudomonas, è un allungo nella stessa direzione. E’ un passo verso un futuro meno belligerante.

Riferimenti bibliografici

Informazioni su Ilaria G. Giuliani 22 Articoli
Mi occupo di Nutrizione Umana, con approfondimento su Terapie Nutrizionali Specifiche per Stati Patologici e Dismetabolismi. Ho condotto programmi scolastici di Educazione Alimentare ed ho collaborato a Progetti di Ricerca in Microbiologia e Tecnologia Alimentare presso CNR-ISPA BARI. Poichè la divulgazione delle conoscenze professionali ha sempre avuto, per me, un valore assoluto, amministro il sito di Informazione Scientifica RiBEN.

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