In silico subtractive genomics and reverse vaccinology approach reveal outer membrane proteins OMP47 and LptD as dual-purpose drug and vaccine targets in Pasteurella multocida Pm70

I batteri sono organismi unicellulari che si sono evoluti per sopravvivere in quasi ogni ambiente sulla Terra, compreso l'interno del corpo umano. Sebbene molti siano innocui o addirittura utili, alcuni sono patogeni pericolosi che causano malattie gravi. Quando questi batteri dannosi ci infettano, i medici li trattano tipicamente con antibiotici, farmaci progettati per uccidere i batteri o impedirne la moltiplicazione. Tuttavia, i batteri sono intelligenti e adattabili; nel tempo, molti hanno imparato a resistere a questi medicinali, rendendo inefficaci i trattamenti standard. Questa crescente resistenza rende la ricerca di nuovi modi per combattere le infezioni batteriche una delle sfide più urgenti nella medicina moderna. Per risolvere questo problema, gli scienziati si rivolgono sempre più ai computer per progettare nuovi farmaci e vaccini. Invece di testare migliaia di sostanze chimiche in un laboratorio, utilizzano software potenti per scansionare l'intero codice genetico di un batterio, cercando specifiche debolezze che possano essere colpite senza danneggiare l'ospite umano. Questo approccio consente ai ricercatori di identificare i candidati più promettenti per nuovi farmaci e vaccini prima ancora di entrare in un laboratorio.

Un batterio chiamato Pasteurella multocida è un esempio lampante di un patogeno che sta diventando difficile da trattare. Questo germe vive nelle bocche di molti animali, in particolare di gatti e cani, e può essere trasmesso agli esseri umani attraverso morsi o graffi. Sebbene spesso causi lievi infezioni cutanee, può portare a polmoniti gravi, infezioni del sangue e altre condizioni potenzialmente letali, specialmente in persone con un sistema immunitario indebolito. Il problema è che questo batterio sta sviluppando resistenza a molti antibiotici comuni e attualmente non esiste un vaccino approvato per gli umani per prevenirlo. Di fronte a questa crescente minaccia, un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di trovare nuovi modi per fermare il batterio utilizzando un metodo chiamato genomica sottrattiva. Questo processo è come un gioco di eliminazione: gli scienziati partono dall'elenco completo di tutte le proteine che il batterio produce e rimuovono sistematicamente quelle che sembrano troppo simili alle proteine presenti negli esseri umani. L'obiettivo è trovare proteine che siano essenziali per la sopravvivenza del batteria ma che siano uniche del germe, garantendo che un farmaco mirato a esse uccida il batterio senza danneggiare la persona.

Dagli migliaia di proteine nel genoma di Pasteurella multocida, i ricercatori hanno ridotto l'elenco a soli 129 proteine che sono critiche per la vita del batterio e che non hanno un equivalente umano. Hanno poi guardato più a fondo, controllando quali di queste 129 proteine fossero situate sulla membrana esterna del batterio, rendendole accessibili ai farmaci e al sistema immunitario. Questo rigoroso processo di filtraggio ha ristretto il campo a due proteine specifiche: una proteina della membrana esterna da 47 kilodalton, nota come OMP47, e una proteina chiamata LptD, che funge da costruttore per la parete esterna del batterio. Queste due proteine si sono distinte perché non solo sono vitali per la sopravvivenza del batterio, ma si trovano anche sulla superficie dove possono essere facilmente raggiunte. I ricercatori hanno scoperto che OMP47 aiuta il batterio ad aderire alle superfici e a spostare materiali attraverso la loro membrana, mentre LptD è responsabile dell'assemblaggio dello strato esterno della cellula, un processo cruciale per l'integrità strutturale del batterio. Poiché queste proteine sono così importanti per la vita del batterio e sono esposte all'esterno, rappresentano bersagli ideali sia per nuovi farmaci che per vaccini.

Per vedere se queste proteine potessero anche servire come base per un vaccino, il team ha utilizzato modelli informatici per prevedere come il sistema immunitario umano avrebbe reagito ad esse. Hanno scomposto le due proteine in piccoli frammenti chiamati epitopi, che sono le parti specifiche che il sistema immunitario riconosce come estranee. I ricercatori hanno selezionato i frammenti più promettenti — quelli che probabilmente avrebbero scatenato una forte risposta immunitaria ma che erano sicuri per gli esseri umani, ovvero non tossici o improbabili di causare reazioni allergiche. Hanno poi cucito insieme questi frammenti selezionati, insieme a una speciale molecola di supporto chiamata adiuvante, per creare un singolo candidato vaccinale su misura. Questo nuovo vaccino, noto come vaccino multi-epitopo, è una costruzione sintetica composta interamente dalle parti più efficaci delle proteine batteriche, progettata per insegnare al sistema immunitario a riconoscere e combattere il vero batterio.

I ricercatori hanno poi testato questo vaccino virtuale utilizzando simulazioni informatiche avanzate per vedere come si sarebbe comportato. Hanno modellato la forma tridimensionale del vaccino e ne hanno controllato la stabilità, confermando che si manteneva ben saldo e aveva le giuste proprietà chimiche per essere prodotto in un laboratorio. Hanno simulato come il vaccino interagirebbe con il sistema immunitario umano, guardando specificamente a come si legherebbe a un recettore chiave chiamato TLR4, che agisce come un campanello d'allarme per le difese del corpo. Le simulazioni hanno mostrato una connessione molto forte e stabile tra il vaccino e questo recettore, suggerendo che esso risveglierebbe efficacemente il sistema immunitario. Inoltre, i modelli informatici hanno previsto che, dopo aver ricevuto il vaccino, il corpo avrebbe prodotto una difesa robusta, inclusa la creazione di cellule di memoria che avrebbero ricordato il batterio e lo avrebbero combattuto in caso di un futuro incontro. Il team ha anche confermato che il codice genetico per questo vaccino potrebbe essere facilmente adattato per essere prodotto in comuni batteri di laboratorio, rendendo fattibile la produzione in grandi quantità.

Sebbene questi risultati siano promettenti, i ricercatori sottolineano con cautela che questo lavoro è attualmente una sofisticata simulazione informatica. Lo studio ha identificato con successo due proteine che sono ottimi candidati per lo sviluppo di farmaci e ha progettato un vaccino che appare perfetto sulla carta, ma questi risultati non sono ancora stati testati in cellule viventi o animali. Il passo successivo sarebbe quello di creare il vaccino in un vero laboratorio e testarlo per vedere se funziona come previsto dai computer. Se futuri esperimenti confermeranno questi risultati, le due proteine identificate potrebbero portare a nuovi antibiotici che aggirano l'attuale resistenza, e il vaccino progettato potrebbe fornire la prima protezione umana contro questa diffusa e pericolosa infezione. Fino ad allora, questo lavoro serve come una solida base, dimostrando che l'informatica può guidare efficacementamente la ricerca di nuovi modi per proteggere la salute umana dalle minacce batteriche.