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Batteri contro virus: The Biggest Tiniest War

Hai probabilmente sentito parlare di batteri e virus che causano malattie umane, e potresti sapere come gli esseri umani combattono i batteri con gli antibiotici e come preveniamo le infezioni da batteri e virus usando i vaccini. Ma batteri e virus si sono anche combattuti a vicenda per molto tempo, e studiare il modo in cui combattono ci ha insegnato molto su come gli organismi cambiano nel tempo e ha anche portato alla scoperta di uno strumento di ricerca estremamente eccitante.

Questa battaglia tra batteri e virus riguarda la capacità di riprodursi. Sia i batteri che i virus si riproducono creando copie identiche di se stessi, e le istruzioni per farlo sono immagazzinate nel loro DNA.

Cracking the DNA Code

Il DNA è una lunga molecola che è costruita dalla combinazione di quattro molecole più piccole: adenina, timina, guanina e citosina (A, T, G e C in breve; Figura 1). Le molecole A, T, C e G possono essere unite in molti ordini diversi per formare un lungo filamento. Quella specifica combinazione di A, T, G e C è come un codice. Un filamento di DNA da solo non durerà molto a lungo in una cellula, quindi i filamenti si accoppiano secondo regole specifiche. Le A possono accoppiarsi solo con le T, e le C possono accoppiarsi solo con le G, quindi i due filamenti finiscono per essere una sorta di opposti l’uno all’altro. I due filamenti di una molecola di DNA sono complementari. I due filamenti complementari si attorcigliano uno intorno all’altro per formare una struttura chiamata doppia elica.

Alcune sezioni di DNA, chiamate geni, contengono le istruzioni per costruire le proteine (Figura 1). Le proteine sono le principali molecole che fanno le cose in una cellula. Le proteine aiutano a trasformare il nostro cibo in energia, muovono le cose all’interno e tra le cellule e aiutano le cellule a comunicare. I prodotti proteici dei geni e i lavori che fanno sono il modo in cui i geni si traducono in tratti fisici, come il colore degli occhi o i capelli lisci o ricci.

Molte parti del nostro DNA non sono effettivamente geni, però. Molte di queste altre sezioni di DNA aiutano la cellula a sapere quando produrre una certa proteina, e quanta di quella proteina dovrebbe produrre.

Ma cosa c’entra il DNA?

Ora che sappiamo che il DNA codifica per le proteine, possiamo pensare a come questo possa permettere a un batterio o a un virus di fare una copia di se stesso. Per riprodursi, un batterio deve produrre abbastanza proteine e molecole per un’altra cellula, copiare il suo DNA in modo che la nuova cellula abbia le informazioni di cui ha bisogno, e deve anche diventare più grande e dividersi. Un virus, in confronto, è molto più semplice: solo del DNA in un rivestimento proteico. Sia i batteri che i virus hanno le istruzioni per fare tutte le proteine che aiuteranno tutti i compiti della riproduzione. Quindi cosa c’è da combattere?

Ci manca una parte importante di questa storia: come si fa una proteina? Succede con l’aiuto di una molecola chiamata RNA. L’RNA è molto simile al DNA, ma ha un solo filamento. Proteine speciali possono creare (o “trascrivere”) versioni di RNA dei geni che possono essere “lette” dal macchinario cellulare che “traduce” il codice RNA e costruisce una proteina (Figura 1). Puoi pensare alla differenza tra RNA e DNA in questo modo: Il DNA è come un manuale di istruzioni, o un progetto, o un libro di cucina. Non vengono apportate modifiche alla copia principale, ma se qualcuno vuole fare qualcosa con queste istruzioni, piccole porzioni vengono copiate e inviate dove il prodotto può essere realizzato con i materiali appropriati. Questo è il lavoro dell’RNA. È questa fase intermedia dell’RNA che causa problemi a virus e batteri. I batteri hanno le istruzioni e gli strumenti per fare le proteine, ma i virus hanno solo le istruzioni – nessun strumento.

Il modo in cui alcuni virus compensano questo è dirottare i batteri e usare i loro strumenti (Figura 2). Questo tipo di virus atterra e si attacca all’esterno del batterio e inietta il suo DNA nel batterio. Se il batterio non si rende conto che il DNA virale non è il suo, seguirà le istruzioni del DNA virale e farà altri virus. Il batterio farà copie del DNA virale e molte proteine virali e permetterà ai nuovi virus di assemblarsi all’interno del batterio. Infine, i nuovi virus aprono il batterio e vanno a infettare altri batteri.

La maggior parte dei batteri che vengono infettati da un virus che non hanno mai visto, muore. Ogni tanto, però, un batterio non muore per un’infezione virale. Questo potrebbe accadere a causa di una mutazione nel DNA di quel batterio. Le mutazioni sono cambiamenti nella sequenza del DNA di un gene, come piccoli errori, e accadono continuamente nei batteri quando copiano il loro DNA per la prossima generazione. Alcuni di questi errori uccidono il batterio, quindi non ha la possibilità di passare la mutazione alla generazione successiva. Altre mutazioni, invece, potrebbero passare inosservate… finché il batterio non viene invaso da un virus! Improvvisamente si scopre che la mutazione aiuta effettivamente il batterio a combattere il virus. I pochi batteri fortunati che hanno questa utile mutazione sono quelli che sopravvivono per riprodursi, e trasmettono queste utili mutazioni alla loro prole. Questa prole a sua volta si riproduce, e alla fine la mutazione utile è presente nella maggior parte dei batteri della popolazione. Questa introduzione di una nuova versione utile di un gene in un intero gruppo di batteri è un esempio di evoluzione.

CRISPR: Difendere i batteri ricordando i virus

A questo punto, vi starete chiedendo come sia la resistenza ai virus nei batteri, ed è qui che entra in gioco CRISPR (Figura 3). CRISPR sta per Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats. Sembra molto fantasioso, ma in realtà è solo una descrizione di alcune regioni speciali del DNA del batterio. In queste regioni, ci sono due tipi di sequenze di DNA che si alternano: ripetizioni e spaziatori. Le ripetizioni sono lo stesso insieme di lettere ripetute più e più volte, ma gli spaziatori tra di esse sono tutti diversi.

Quando gli scienziati trovarono per la prima volta queste speciali regioni di DNA, non erano sicuri del loro scopo. Ma presto si sono resi conto che gli spaziatori erano spesso molto simili al DNA virale. Da dove veniva questo DNA virale? CRISPR potrebbe aiutare i batteri a riconoscere e combattere i virus?

Nel 2007, Rodolphe Barrangou e il suo laboratorio hanno deciso di esplorare questa idea (Curiosità: Barrangou lavorava per una società di yogurt! Fare lo yogurt richiede batteri, e a volte questi batteri vengono spazzati via dai virus. Era nell’interesse dell’azienda sapere come i batteri si proteggono dai virus). Quando Barrangou ha confrontato la regione CRISPR di un tipo di batterio non resistente ai virus con quella di una versione resistente ai virus della stessa specie, hanno scoperto che l’unica differenza tra loro era che la versione resistente ai virus aveva alcuni spaziatori extra. Hanno deciso di fare un esperimento per capire da dove venissero questi spaziatori extra.

Prima di tutto, hanno esposto i batteri non resistenti ai virus fino a quando i batteri sono diventati resistenti ai virus. Quando hanno confrontato le regioni CRISPR dei batteri appena resistenti e non resistenti, hanno scoperto che c’erano di solito da uno a quattro nuovi spaziatori nei batteri resistenti, e che questi nuovi spaziatori erano simili al DNA dei virus a cui i batteri erano stati esposti. Questo ha fatto pensare ai ricercatori che gli spaziatori potrebbero essere stati fatti dal DNA virale.

Barrangou e il suo laboratorio hanno anche cancellato e inserito diversi spaziatori che corrispondevano a diversi virus. Hanno scoperto che quando hanno eliminato uno spaziatore da un batterio resistente al virus, quel batterio ha perso la sua resistenza al virus corrispondente, e quando hanno aggiunto spaziatori, il batterio sarebbe stato resistente al virus corrispondente, anche se non aveva mai visto quel virus prima. Barrangou e il suo laboratorio hanno concluso che gli spaziatori nelle regioni CRISPR forniscono resistenza ai virus salvando parte del DNA virale, il che permette al batterio di “ricordarli”.

La resistenza al virus (immunità) nasce in risposta all’infezione. Normalmente, l’immunità non viene passata alla prole, ma con CRISPR, può esserlo, perché l’immunità è effettivamente codificata nel DNA, che viene trasmesso attraverso le generazioni .

Da quando Barrangou ha fatto i suoi primi esperimenti CRISPR, abbiamo capito molto su come CRISPR funziona per impedire ai virus di distruggere la cellula. Il batterio taglia un po’ del DNA virale e lo aggiunge in una regione CRISPR del proprio DNA. Se il virus ritorna, il batterio produce RNA dalla regione di CRISPR specifica per quel virus. Queste copie di RNA si accoppiano con alcune proteine cas (CRISPR-associate). L’RNA guida la proteina cas verso il DNA virale invasore, così la proteina può distruggerlo. Niente più DNA virale, niente nuovi virus. Queste copie di RNA si accoppiano con alcune proteine cas (CRISPR-associated), che sono fatte dai geni cas.

Oltre i batteri: CRISPR in laboratorio

Quando questo meccanismo è stato scoperto, gli scienziati hanno subito capito che CRISPR potrebbe avere molti usi interessanti ed eccitanti in laboratorio. Le persone hanno capito che potevano dare a una proteina Cas la versione RNA di qualsiasi pezzo di DNA che volevano che trovasse, e con l’aiuto dell’RNA, la proteina sarebbe andata lì e avrebbe apportato modifiche al DNA. Le proteine cas possono cambiare una lettera, che spesso è sufficiente a rendere il gene non più funzionante, o le proteine cas possono cancellare un intero gene o una sezione di un gene.

Questo rende CRISPR uno strumento fantastico per la genetica, che è lo studio dei tratti ereditari. Uno dei modi in cui i genetisti capiscono come funzionano i geni è quello di eliminarli o inattivarli e vedere cosa va storto nell’organismo. Questo è stato fatto per molti anni, ma CRISPR ci permette di farlo più velocemente e più accuratamente che mai.

È anche possibile che CRISPR possa essere usato per correggere mutazioni dannose che causano malattie negli esseri umani, ma questo solleva alcune serie questioni etiche. Come decideremo quando usare questa tecnologia? Ed è giusto fare cambiamenti genetici che possono essere ereditati da un individuo che non ha acconsentito a quei cambiamenti? Siamo ancora molto lontani da CRISPR negli esseri umani, ma è importante porre queste domande prima, piuttosto che dopo.

Contributi degli autori

MC ha scritto il manoscritto e generato tutte le figure. JJ ha supervisionato il lavoro e ha commentato il manoscritto in tutte le fasi. Entrambi gli autori hanno rivisto il manoscritto finale.

Glossario

DNA: Acido desossiribonucleico, una lunga molecola formata da una combinazione di quattro molecole più piccole (A, C, T e G) che codifica tutte le informazioni nella cellula.

Doppia elica: La forma che il DNA forma quando i due filamenti complementari della molecola si accoppiano e si attorcigliano.

Gene: Una sezione del DNA che codifica per una proteina.

Proteina: Una classe di molecole grandi e strutturalmente complicate che è responsabile di molte attività cellulari.

RNA: Acido ribonucleico, una molecola a singolo filamento composta da As, Gs, Cs e Us. L’RNA può servire come messaggero tra il DNA e il macchinario cellulare che produce le proteine, ma ha anche altre funzioni.

Mutazione: Un cambiamento nella sequenza del DNA di un organismo, come l’aggiunta, lo scambio o la cancellazione di una A, C, T o G.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): Il nome dato a una regione speciale di alcuni genomi batterici che contiene sequenze alternate di spaziatori e ripetizioni. È anche il nome dato a un processo con cui i batteri si difendono dalle infezioni virali e a una tecnologia di laboratorio che permette di modificare i geni.

Geni Cas: Geni associati a CRISPR adiacenti ai loci CRISPR di spaziatori e ripetizioni. cas9 è un gene cas.

Conflict of Interest Statement

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Salmond, G. P. C., e Fineran, P. C. 2015. Un secolo del fago: passato, presente e futuro. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Breakthrough DNA Editor nato dai batteri. Quanta Magazine. Disponibile online a: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (accesso 26 novembre 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR fornisce resistenza acquisita contro i virus nei procarioti. Scienza 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., e Marraffini, L. A. 2014. Sistemi CRISPR-Cas: aggiornamento dei procarioti all’immunità adattativa. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011