Un micrografo elettronico a trasmissione di falsi colori di batteriofagi multipli collegati a una parete cellulare batterica. Credit: Wikimedia Commons
Un nuovo approccio genetico può accelerare lo studio delle interazioni fago-microbo con implicazioni per la salute, l’agricoltura e il clima.
Gli scienziati sono continuamente alla ricerca di modi nuovi e migliorati per affrontare i batteri, sia per eliminare i ceppi che causano malattie o per modificare i ceppi potenzialmente benefici., E nonostante i numerosi farmaci intelligenti e gli strumenti di ingegneria genetica che gli esseri umani hanno inventato per questi compiti, questi approcci possono sembrare goffi rispetto agli attacchi finemente sintonizzati condotti dai fagi – i virus che infettano i batteri.
Fagi, come altri parassiti, sono in continua evoluzione modi per indirizzare e sfruttare il loro ceppo batterico ospite specifico, e, a sua volta, i batteri sono in continua evoluzione mezzi per eludere i fagi., Queste battaglie perpetue per la sopravvivenza producono arsenali molecolari incredibilmente diversi che i ricercatori hanno voglia di studiare, ma farlo può essere noioso e laborioso.
Per ottenere informazioni su queste strategie difensive, un team guidato da scienziati del Berkeley Lab ha appena sviluppato un nuovo metodo efficiente ed economico. Come riportato in PLOS Biology, il team ha dimostrato che una combinazione di tre tecniche può rivelare quali fagi di recettori batterici sfruttano per infettare la cellula, nonché quali meccanismi cellulari usano i batteri per rispondere a un’infezione da fago.,
“Nonostante quasi un secolo di lavoro molecolare, i meccanismi alla base delle interazioni fago-ospite sono noti solo per poche coppie, dove l’ospite è un organismo modello ben studiato che può essere coltivato in un laboratorio”, ha detto l’autore corrispondente Vivek Mutalik, uno scienziato di ricerca nella divisione EGSB (Environmental Genomics and Systems Biology) di Berkeley Lab. “Tuttavia, i fagi rappresentano le entità biologiche più abbondanti sulla Terra e, a causa del loro impatto sui batteri, sono fattori chiave dei cicli nutrizionali ambientali, della produzione agricola e della salute umana e animale., È diventato imperativo acquisire una conoscenza più fondamentale di queste interazioni per comprendere meglio i microbiomi del pianeta e sviluppare nuovi farmaci, come vaccini a base di batteri o cocktail di fagi per trattare le infezioni resistenti agli antibiotici.”
Facendo luce sulla”materia oscura ”
L’approccio triplice del team, chiamato librerie di perdita di funzione e guadagno di funzione codificate a barre, utilizza la tecnica consolidata di creare delezioni geniche e anche aumentare l’espressione genica per identificare quali geni i batteri usano per eludere i fagi., Questa informazione dice anche agli scienziati quali recettori i fagi stanno prendendo di mira senza dover analizzare i genomi dei fagi. (Tuttavia, gli scienziati hanno in programma di adattare la tecnica per l’uso sui virus in futuro, per imparare ancora di più sulla loro funzione.)
Mutalik e i suoi colleghi hanno testato il loro metodo su due ceppi di E. coli che sono noti per essere presi di mira da 14 fagi geneticamente diversi., I loro risultati hanno confermato che il metodo funziona senza intoppi rivelando rapidamente la stessa suite di recettori dei fagi che erano stati precedentemente identificati attraverso decenni di ricerca, e ha anche fornito nuovi successi che sono stati persi in studi precedenti.
Un rendering artistico di fagi. Credit: Antara Mutalik
Secondo Mutalik, l’approccio può anche essere scalato per valutare simultaneamente le relazioni dei fagi per centinaia di batteri campionati da diversi ambienti., Ciò renderà molto più facile per gli scienziati studiare la “materia oscura” biologica del pianeta, che si riferisce ai microrganismi inculturabili e quindi poco conosciuti che abbondano in molti ambienti. In effetti, si stima che il 99% di tutti i microrganismi viventi non possa essere coltivato in un laboratorio.
L’approccio del team rappresenta anche un’opportunità per standardizzare le risorse genetiche utilizzate nella ricerca sui fagi, che è sempre stato un processo ad hoc e altamente variabile, e creare reagenti e set di dati condivisibili.,
“Il ruolo dei fagi è un enorme “noto-sconosciuto”, come sappiamo che ci sono fagi ovunque, ma difficilmente sappiamo qualcosa di più. Ad esempio, comprendiamo meno del 10% dei geni codificati nei genomi di fagi precedentemente sequenziati”, ha affermato Mutalik. “Ora che finalmente abbiamo uno strumento semplificato per guardare i fagi, ci sono molte domande interessanti a cui possiamo iniziare a rispondere e un’opportunità per fare la differenza nel mondo.,”
Questo lavoro è stato condotto da Mutalik e colleghi scienziati EGSB Adam Arkin e Adam Deutschbauer al Berkeley Lab, in collaborazione con i ricercatori della UC Berkeley e Evergreen State College. La ricerca è stata finanziata dal programma di microbiologia dell’Innovative Genomics Institute e da ENIGMA, un programma di area di interesse scientifico guidato da Berkeley Lab e supportato dall’Office of Science del DOE.
