Complete loss of lipoprotein biosynthesis machinery in an obligate intracellular bacterium

La maggior parte delle cellule viventi è come un castello fortificato, circondato da mura che tengono a bada il mondo esterno pur permettendo il passaggio di rifornimenti necessari. Nel mondo batterico, queste mura sono strutture complesse composte da strati, e uno dei modi più comuni con cui i batteri mettono in sicurezza le loro difese esterne è attaccando piccole ancore unte alle loro proteine superficiali. Queste ancore, note come lipidi, agiscono come rivetti molecolari, tenendo saldamente le proteine in posizione contro la membrana. Questo sistema è così fondamentale che si trova in quasi ogni tipo di batterio, dai microbi innocui nel nostro intestino ai pericolosi che causano malattie. Senza queste ancore lipidiche, la parete batterica probabilmente cadrebbe a pezzi, lasciando l'organismo vulnerabile al suo ambiente.

Tuttavia, la natura a volte prende una strada diversa quando un organismo conduce una vita molto specifica e nascosta. Orientia tsutsugamushi è un batterio che causa la febbre bottonosa, una malattia trasmessa dagli acari. A differenza di molti altri batteri che vivono liberamente o all'interno di bolle protettive nelle cellule dell'ospite, questo microrganismo vive direttamente nel fluido corporeo principale della cella ospite, il citoplasma. Ha già scartato molti degli strumenti standard della vita batterica, tra cui il complesso rivestimento zuccherino che di solito attiva il sistema immunitario e una parete cellulare spessa e rigida. Ora, i ricercatori hanno scoperto che questo batterio ha portato la sua strategia minimalista all'estremo: ha completamente perso l'intera strumentazione necessaria per attaccare quelle ancore unte alle sue proteine superficiali.

Il team di scienziati, guidato da ricercatori dell'Università di Cambridge, si è posto l'obiettivo di capire come Orientia tsutsugamushi riesca a costruire un guscio esterno stabile senza queste ancore essenziali. Hanno iniziato scansionando il codice genetico del batterio, alla ricerca dei geni specifici che fungono da catena di montaggio per le ancore lipidiche. In quasi tutti gli altri batteri, questa catena di montaggio prevede una serie di enzimi che attaccano catene di acidi grassi alle proteine e poi le trasportano alla parete esterna. I ricercatori hanno scoperto che Orientia tsutsugamushi ha perso i due enzimi chiave che eseguono l'attacco e l'intero sistema di trasporto che sposta i prodotti finiti alla loro destinazione. Inoltre, le proteine che normalmente ricevono queste ancore mancano del sito di aggancio specifico dove avviene l'attacco. Il batterio ha effettivamente eliminato la fabbrica e i camion per le consegne, eppure possiede ancora le proteine che normalmente verrebbero consegnate.

Questa scoperta ha sollevato una domanda enigmatica: se il batterio non può attaccare queste proteine alla membrana usando il metodo standard, come fanno a rimanere in posizione? I ricercatori si sono concentrati su una proteina specifica chiamata Pal, che in altri batteri funge da supporto strutturale, collegando la parete esterna agli strati interni. In Orientia tsutsugamushi, questa proteina è ancora presente, ma manca della gewöhnliche ancora lipidica. Creando un modello tridimensionale della proteina e confrontandolo con le versioni trovate in batteri correlati, il team ha notato qualcosa di unico. La versione in Orientia tsutsugamushi ha una sezione extra all'inizio, una coda che non si trova in nessuna altra versione nota di questa proteina.

Per testare cosa facesse questa coda extra, gli scienziati hanno sintetizzato la proteina in laboratorio e l'hanno mescolata con una soluzione di lipidi, creando minuscole bolle che mimano una membrana cellulare. Hanno osservato che la versione completa della proteina, con la sua coda extra, aderiva saldamente alle bolle lipidiche. Tuttavia, quando hanno rimosso la coda, la proteina galleggiava via e non si legava affatto. Ciò ha confermato che il batterio aveva evoluto un nuovo modo per tenere in posizione le sue proteine. Invece di usare un'ancora unta, la proteina usa due strutture elicoidali all'interno della sua coda che agiscono come un gancio, inserendosi direttamente nella membrana. Questo meccanismo permette alla proteina di rimanere attaccata senza la necessità della strumentazione mancante per l'attacco lipidico.

I ricercatori hanno anche osservato dove si trova questa proteina all'interno del vero batterio. Utilizzando un microscopio e speciali anticorpi che brillano sotto la luce, hanno visto che la proteina è situata proprio al bordo della cellula e alla linea di divisione dove il batterio si scinde in due. Questo conferma che la proteina fa effettivamente parte della struttura esterna della cellula, svolgendo il suo compito nonostante l'assenza del consueto sistema di ancoraggio. Sebbene il team non sia ancora riuscito a determinare come le altre proteine mancanti vengano tenute in posizione, il comportamento di questa singola proteina suggerisce che il batterio abbia trovato un ingegnoso aggiramento per un problema che sarebbe fatale per la maggior parte delle altre specie.

Questa scoperta mette in discussione il lungo tempo assunto che il sistema di ancoraggio lipidico sia indispensabile per i batteri con due strati nelle loro pareti cellulari. Orientia tsutsugamushi è riuscito a sopravvivere e prosperare semplificando la sua biologia all'estremo, eliminando la complessa strumentazione per l'attacco lipidico e sostituendola con una soluzione strutturale più diretta. Il batterio sembra aver scambiato un sistema universale e complesso con un metodo più semplice e diretto per tenere insieme le sue pareti. Questa adattamento probabilmente aiuta l'organismo a rimanere invisibile al sistema immunitario dell'ospite, poiché evita di produrre le normali firme molecolari che solitamente attivano un allarme. Lo studio suggerisce che anche le regole più fondamentali della biologia batterica possono essere riscritte quando un organismo è costretto ad adattarsi a una vita all'interno delle cellule di un altro essere.