come i batteri del suolo scambiano geni per inventare nuovi antibiotici

Alcuni batteri sono in grado di produrre antibiotici in un contesto di competizione tra specie, è il caso del genere Streptomyces. Una nuova scoperta analizza il modo in cui producono queste molecole e apre la strada alla produzione di nuovi antibiotici e alla lotta contro la resistenza agli antibiotici.

La diffusione della resistenza agli antibiotici tra gli agenti patogeni umani e animali è all’origine di una crisi sanitaria contemporanea e di una potenziale catastrofe futura. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) riconosce la resistenza antimicrobica come un grave problema socioeconomico e “una delle 10 maggiori minacce alla salute pubblica globale”. È ormai accettato che l’uso massiccio e l’abuso di antibiotici favorisca l’emergere e la diffusione della resistenza antimicrobica nei patogeni umani. È in corso una vera e propria corsa di velocità: è imperativo innovare per individuare e produrre nuove molecole capaci di contrastare l’adattamento dei batteri alla pressione degli antibiotici.

La principale fonte di molecole naturali per l’uso antibiotico sono i batteri del suolo, in particolare gli Streptomyces. I batteri infatti stabiliscono, grazie alle molecole che sintetizzano, un equilibrio con gli altri organismi che colonizzano il suolo, compresa la competizione che consiste nell’eliminare la competizione.

Quasi un terzo di tutti gli antibiotici conosciuti provengono da Streptomyces, il che pone questo genere batterico al secondo posto nella scoperta degli antibiotici, subito dopo tutte le piante superiori.

Quando i batteri giocano a fare i chimici

Gli streptomiceti sono batteri non patogeni che sono tra i “chimici” più abili della natura grazie alla loro capacità di produrre un’ampia varietà di metaboliti specializzati. Questi metaboliti trovano impiego in medicina umana e veterinaria nonché in agronomia, tra cui molecole antibiotiche, antiproliferative, antitumorali o antiossidanti. Ad esempio, la streptomicina prodotta dai batteri Streptomyces griseusfu scoperto come antibiotico efficace contro la tubercolosi da Selman Waksman, vincitore del Premio Nobel per la medicina nel 1952.

Dopo l’epoca d’oro della scoperta degli antibiotici negli anni ’60 che anticipò la fine delle malattie infettive, la comparsa di ceppi resistenti non fu accompagnata dalla scoperta e dalla commercializzazione di nuovi agenti terapeutici. La colpa sta nell’alta probabilità di reisolare più volte una molecola già conosciuta. Oltre al fatto che l’entità della diversità delle molecole prodotte non è nota, i processi (meccanismi e pressioni) che favoriscono la diversità di queste molecole negli organismi produttori sono in gran parte sconosciuti. Possiamo sperare di trarre vantaggio da un rinnovamento del nostro arsenale antibiotico attraverso la capacità dei produttori di diversificare i propri geni di biosintesi?

Negli ultimi dieci anni, i progressi nelle tecnologie di sequenziamento hanno rivelato che i genomi degli Streptomyces sono pieni di potenzialità insospettate per la sintesi di metaboliti di interesse. Infatti, mentre ciascun ceppo era noto il più delle volte per la sintesi di una molecola rivelata dalla sua attività, il suo genoma comprende fino a 40 gruppi di geni della biosintesi (cluster di geni biosinteticiBCG) che rappresentano complessivamente fino al 10% del loro patrimonio genetico. Sono queste le organizzazioni che dedicano la maggior parte del proprio patrimonio a questa funzione. Ciascuno di questi BGC consente teoricamente la sintesi di una nuova molecola. L’era della genomica si era appena aperta con le sue speranze e le sue frustrazioni: speranze di una nuova diversità da esplorare, frustrazioni per non padroneggiare i processi di creazione della diversità.

La terra, un vero e proprio campo di battaglia

La ricchezza e la diversità degli antibiotici prodotti dagli Streptomyces possono essere spiegate fondamentalmente dal loro ruolo ecologico per i batteri nel suo ecosistema. Gli streptomiceti vivono principalmente nel suolo e in particolare nella rizosfera, la zona del suolo sotto l’influenza delle radici delle piante, dove si sviluppa il microbiota vegetale. Questo ecosistema eterogeneo con condizioni fisico-chimiche mutevoli è il luogo di una feroce competizione per i nutrienti, ma anche di fertili simbiosi.

Gli streptomiceti sono coinvolti in queste molteplici e complesse interazioni biotiche con altri organismi che vivono nel suolo (batteri rizosferici, funghi, piante e animali) attraverso i metaboliti prodotti che sintetizzano ed espellono (costituendo l’interattoma Streptomyces). Questi dialoghi chimici consentono l’equilibrio delle comunità che vivono nel suolo.

Sotto questa forte pressione biologica, la corsa agli armamenti è permanente sotto i nostri piedi per garantire la produzione di nuove molecole attive che garantiscano la sopravvivenza e la diffusione dei batteri. La resistenza al farmaco sintetizzato dallo stesso produttore (per evitare il suicidio) deve evolversi come specchio della capacità di biosintesi. Abbiamo dimostrato che all’interno di una popolazione di Streptomyces, mentre un singolo ceppo produce l’antibiotico, i ceppi genitori non produttori sono resistenti, favorendo così la diffusione del produttore e dei suoi parenti. Così facendo, i produttori sono anche un serbatoio di resistenza in divenire (si parla di “proto-resistenza”, antenata della resistenza individuata nei nostri agenti patogeni).

Scambi genetici colossali

Al laboratorio DynAMic abbiamo recentemente dimostrato che gli Streptomiceti sono in grado di scambiare grandi quantità di DNA quando entrano in contatto tra loro. Infatti, questi trasferimenti genici o trasferimenti orizzontali avvengono durante la coniugazione tra ceppi originari della rizosfera. Il genoma degli Streptomyces è ricco di elementi genetici mobili chiamati AICE, a attinomiceti elementi integrativi e coniugativi (elemento coniugativo e integrativo degli attinomiceti), che promuovono, oltre alla mobilità del proprio DNA genomico (tra 20 e 40 kilobasi), quella del DNA cromosomico tra i partner coinvolti nell’incrocio.

Durante un singolo incrocio, il trasferimento di uno o più di questi AICE è accompagnato da quello di diversi frammenti di DNA che rappresentano complessivamente fino al 30% del patrimonio genetico del genitore donatore.

Poiché il genoma degli Streptomyces utilizzato in questo esperimento comprende circa 12 milioni di paia di basi, ciò rappresenta diverse centinaia o addirittura migliaia di kilobasi e quindi altrettanti geni (1 gene ≃ 1.000 basi nei batteri)! Abbastanza per trasferire interi percorsi biosintetici; i geni necessari per la sintesi e la resistenza al farmaco prodotto essendo raggruppati in regioni di circa un centinaio di kilobasi.

Una volta nel genitore ricevente, il DNA del donatore inserisce e sostituisce l’informazione presente sul cromosoma e determina innovazioni genetiche. Pertanto, abbiamo dimostrato che più del 90% dei discendenti ottenuti tra un batterio donatore AICE e un batterio ricevente presentano un arsenale di biosintesi metabolitica distinto da quello dei due genitori; i discendenti hanno guadagnato o perso interi percorsi biosintetici o hanno combinato due percorsi per generarne uno nuovo.

Questo nuovo fenomeno garantisce un mescolamento genetico paragonabile a quello che avviene durante la meiosi (divisione cellulare che consente la formazione dei gameti) degli organismi con riproduzione sessuata. Questa miscelazione indurrà drastiche alterazioni nel metabolismo specializzato portando a nuove varianti di antibiotici che faciliterebbero l’adattamento delle popolazioni di Streptomyces al loro ecosistema. Il riarrangiamento dei BGC potrebbe svolgere un ruolo nella “guerra batterica” intra e interspecifica. Su scale temporali più lunghe, è questa pressione che potrebbe favorire la divergenza delle specie batteriche specializzandole verso un ecosistema specifico. È noto che la ricombinazione genetica influenza notevolmente il processo di divergenza o speciazione.

Questa scoperta apre nuove prospettive per la biotecnologia e la medicina. Oltre a fornire una migliore comprensione dei meccanismi di trasferimento e ricombinazione del DNA per comprendere meglio l’evoluzione e l’adattamento dei batteri del suolo, consente di sfruttare questo fenomeno per diversificare i geni e i gruppi di geni della biosintesi di metaboliti specializzati. Ciò facilita la scoperta di nuove biomolecole e potrebbe accelerare la lotta contro la resistenza batterica fornendo una fonte costante di nuovi antibiotici. Il tinkering evolutivo, caro a François Jacob, ci sorprende producendo costantemente qualcosa di nuovo a partire da ciò che già esiste, offrendo così un’opportunità costantemente rinnovata di scoprire nuovi composti bioattivi, tra cui gli antibiotici, essenziali nella guerra contro gli agenti patogeni.