A growth-inhibitory dUTPase from Mosigvirus AV110 disrupts cell division and host physiology in Escherichia coli

Dentro ogni cellula vivente, una battaglia costante e silenziosa infuria per i mattoni della vita. Per copiare il proprio codice genetico, una cellula ha bisogno di un approvvigionamento costante di parti chimiche specifiche, tra cui una chiamata dUTP. Se questa parte scivola nel codice genetico per errore, causa errori che possono rompere le istruzioni della cellula. Per prevenire ciò, le cellule utilizzano uno strumento specializzato, un enzima, per scomporre l'eccesso di dUTP prima che possa causare danni. Questo strumento si trova in quasi tutte le forme di vita, dagli esseri umani ai batteri. Tuttavia, alcuni virus che infettano i batteri, noti come fagi, hanno rubato o inventato le proprie versioni di questo strumento. Questi strumenti virali hanno spesso un duplice scopo: aiutano il virus a costruire il proprio materiale genetico, ma interrompono anche la fornitura di queste parti essenziali dell'ospite, di fatto dirottando la macchina cellulare per servire il virus invece della cellula.

Un team di ricercatori in Danimarca e Belgio ha recentemente rivolto la propria attenzione a uno specifico strumento virale presente in un fago chiamato Mosigvirus AV110. Questo virus infetta un tipo di batterio noto come Escherichia coli, specificamente ceppi resistenti a molti antibiotici comuni. I ricercatori volevano capire esattamente cosa accade quando questo strumento virale, una proteina chiamata Gp135, è attivo all'interno della cellula batterica. Erano particolarmente interessati a come la presenza di questa singola proteina cambi la forma dei batteri, impedisca loro di dividersi e, infine, li uccida. Studiando questa interazione, gli scienziati speravano di imparare di più su come i virus manipolano i loro ospiti e di mappare la vasta e nascosta diversità di questi strumenti nel mondo virale.

I ricercatori hanno iniziato introducendo il gene per la proteina Gp135 in diversi ceppi di batteri resistenti agli antibiotici. Hanno poi osservato cosa accadeva mentre i batteri iniziavano a produrre la proteina. I risultati sono stati immediati e drammatici. In presenza della proteina, i batteri smettevano di crescere. Quando gli scienziati misuravano la densità della coltura batterica, vedevano che il numero di cellule vive diminuiva significativamente, con alcuni ceppi che mostravano una riduzione fino a quattro ordini di grandezza. Ciò significava che per ogni diecimila batteri che avrebbero dovuto esserci, ne rimanevano solo pochi. L'effetto non era limitato a un singolo ceppo; funzionava su una vasta gamma di batteri testati, suggerendo che la proteina colpisca un processo fondamentale che tutti questi ceppi condividono.

Per vedere i cambiamenti fisici che avvenivano all'interno delle cellule, il team ha utilizzato potenti microscopi per osservare i batteri nel tempo. All'inizio, le cellule apparivano normali. Ma man mano che la proteina continuava a essere prodotta, i batteri iniziavano ad allungarsi, diventando lunghi filamenti sottili invece della loro solita forma a bastoncello. Smettevano di dividersi. Normalmente, un batterio cresce e poi si divide a metà per creare due nuove cellule, ma queste cellule continuavano a crescere in lunghezza senza mai dividersi. I ricercatori hanno anche colorato le cellule per esaminare le loro strutture interne. Hanno scoperto che il DNA all'interno delle cellule non si stava replicando. Nei batteri sani, il materiale genetico si copia e si sposta verso i lati opposti della cellula prima della divisione. Qui, il segnale del DNA era debole e non si diffondeva, indicando che il processo di copia si era arrestato.

Con il passare delle ore, il danno diventava più grave. I ricercatori osservarono strane bande luminose apparire lungo la lunghezza delle cellule allungate. Queste bande non facevano parte della parete cellulare o della membrana; erano spazi vuoti, o vuoti, dove l'interno della cellula si era allontanato dalle pareti. Le cellule si stavano essenzialmente svuotando. Alla fine, le membrane cellulari si rompevano e i batteri morivano. Gli scienziati notarono che questo modello di morte, in cui le cellule smettono di dividersi, si allungano e sviluppano spazi interni, è simile a ciò che accade quando i batteri sono privati di un nutriente specifico necessario per costruire il DNA. In questo caso, la proteina virale stava probabilmente causando una carenza dei mattoni di cui i batteri avevano bisogno per copiare il proprio codice genetico, portando al collasso della struttura interna della cellula.

Il team ha poi esaminato da vicino la proteina stessa per capire come funzionasse. Hanno scoperto che la proteina Gp135 è molto simile per forma e struttura a un noto strumento presente in un altro famoso virus, il fago T4. Questo strumento del T4 è noto per la sua capacità di scomporre non solo il dUTP, ma anche una molecola correlata chiamata dCTP. L'analisi dei ricercatori ha suggerito che la proteina Gp135 agisca nello stesso modo. Scomponendo questi mattoni essenziali, la proteina esaurisce la scorta della cellula, impedendo ai batteri di copiare il proprio DNA. Senza nuovo DNA, la cellula non può dividersi. I ricercatori hanno anche scoperto che questa proteina aiuta il virus a creare versioni speciali e modificate del proprio materiale genetico, che fungono da scudo contro i sistemi di difesa naturali dei batteri.

Infine, i ricercatori hanno adottato una visione più ampia per vedere quanto fosse comune questo tipo di strumento virale. Hanno raccolto sequenze genetiche da centinaia di virus diversi e costruito un albero genealogico per vedere come fossero correlati. Hanno scoperto che questi strumenti non sono tutti uguali. Mentre la maggior parte degli strumenti noti forma una struttura a tre parti, quelli trovati nel Mosigvirus e in virus simili formano una struttura a due parti. Ancora più interessante, hanno scoperto che questi strumenti a due parti rientrano in due gruppi distinti che non sono strettamente correlati tra loro, suggerendo che si siano evoluti separatamente. Esiste anche un quarto gruppo misterioso di strumenti che gli scienziati non hanno ancora studiato, che appare essere molto diversificato e potrebbe avere funzioni completamente diverse.

Lo studio conclude che la proteina Gp135 è un'arma potente nell'arsenale virale. Interrompendo la fornitura di mattoni genetici, essa blocca la capacità della cella ospite di riprodursi, portando alla morte cellulare e permettendo al virus di prendere il controllo. Questa ricerca evidenzia i modi complessi e vari in cui i virus si sono evoluti per manipolare i loro ospiti. Rivela inoltre che c'è ancora molto da imparare sui diversi tipi di questi strumenti esistenti, con interi gruppi che aspettano di essere compresi. I risultati suggeriscono che la capacità di dirottare la chimica di una cellula sia una strategia diffusa e di successo per i virus, che si basa su un insieme diversificato ed evolutivo di strumenti molecolari.