Osservato in diretta il trasferimento genico orizzontale / The horizontal gene transfer was observed live

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Immagine di un pilo colorato in fluorescenza (al centro, in verde) mentre aggancia un frammento di DNA (in alto, in rosso) (Credit: Ankur Dalia, Indiana University) / Image of a fluorescent colored pilo (in the center, in green) while attaching a DNA fragment (top, in red)

Una nuova tecnica di colorazione fluorescente ha permesso di riprendere cellule del batterio del colera mentre "cattura" un frammento di DNA libero nell'ambiente grazie a una propaggine chiamata pilo. Si tratta di un notevole progresso per la comprensione del processo di trasferimento genico orizzontale, e potrebbe aiutare a contrastare il preoccupante fenomeno della resistenza agli antibiotici dei batteri patogeni

Nei batteri esiste anche un trasferimento “orizzontale” di geni, grazie al quale una cellula può assimilare DNA di altre cellule e integrarlo nel proprio patrimonio genetico. Si tratta di un meccanismo molto efficiente, grazie a cui i microrganismi riescono a evolversi velocemente e ad affrontare le sfide ambientali.

Ora sulla rivista “Nature Microbiology” un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Indiana, negli Stati Uniti, spiega in che modo è riuscito per la prima volta a osservare direttamente questo trasferimento di DNA. Il merito è in gran parte di un metodo, inventato dallo stesso gruppo, per colorare in fluorescenza i pili, le appendici che si trovano sulla superficie di alcuni batteri.

Queste propaggini, più di 10000 volte più sottili di un capello umano. hanno diverse funzioni. Per esempio, consentono ai batteri di vincolarsi alle superfici, formando i temuti biofilm che veicolano le infezioni nei cateteri e negli apparecchi medicali. Oppure, permettono d’iniziare il processo di trasferimento genico orizzontale, catturando frammenti di DNA libero rilasciati nell’ambiente da altre cellule della stessa specie.

“E come infilare un filo nella cruna di un ago: l’accesso alla cellula batterica è un poro sulla sua membrana esterna poco più grande dello spessore del DNA”, ha spiegato Courtney Ellison, primo autore dello studio. “Se non ci fosse un pilo a guidare il processo, la probabilità del DNA di arrivare al poro con l’angolo corretto per entrare nella cellula sarebbe virtualmente nulla”.

Per ottenere le immagini del processo, Ellison e colleghi hanno sfruttato la struttura proteica dei pili. In essa, ciascuna proteina è costituita da una lunga catena di amminoacidi, collegati l’uno 

all’altro come in una catena di perle. In questa catena, gli autori hanno sostituito un aminoacido con cisteina, che si lega in modo specifico a una piccola molecola, chiamata maleimide, in grado di trasportare un colorante fluorescente.

Lo studio si è focalizzato in particolare su Vibrio cholerae, l’agente patogeno del colera. Grazie alla marcatura fluorescente, i ricercatori sono riusciti a documentare come la punta di un pilo riesce ad agganciare un frammento di DNA. Una volta avvenuto l’aggancio, il pilo si ritrae, portando il materiale genetico verso la superficie della cellula.

Il risultato è un passo avanti fondamentale per capire la dinamica del processo, ma gli autori ammettono che alcuni particolari ancora sfuggono alla loro comprensione. Il prossimo passo per il gruppo di ricerca sarà dunque quello di studiare il modo esatto in cui il pilo riesce a “uncinare” il DNA in un punto preciso. Inoltre, gli autori intendono applicare il metodo di marcatura del pilo anche per studiare altre funzioni di diverse strutture batteriche.

La speranza è che capire in dettaglio come avviene il trasferimento genico orizzontale nei batteri possa aiutare a contrastare una delle sue peggiori conseguenze: la resistenza dei batteri patogeni agli antibiotici, un problema sempre più preoccupante in tutto il mondo.

ENGLISH

A new fluorescent staining technique allowed to take cells from the cholera bacterium while "capturing" a fragment of free DNA in the environment thanks to an extension called pilo. This is significant progress in understanding the horizontal gene transfer process, and could help counteract the disturbing phenomenon of antibiotic resistance of pathogenic bacteria

In bacteria there is also a "horizontal" transfer of genes, thanks to which a cell can assimilate DNA from other cells and integrate it into its own genetic heritage. This is a very efficient mechanism, thanks to which microorganisms are able to evolve quickly and face environmental challenges.

Now in the journal "Nature Microbiology" a group of researchers at the University of Indiana, in the United States, explains how he managed for the first time to directly observe this transfer of DNA. The merit is largely a method, invented by the same group, to color fluorescent pili, the appendages that are on the surface of some bacteria.

These offshoots, more than 10,000 times thinner than a human hair. they have different functions. For example, they allow bacteria to bond to surfaces, forming the dreaded biofilms that carry infections in catheters and medical devices. Or, they allow to start the process of horizontal gene transfer, capturing fragments of free DNA released into the environment from other cells of the same species.

"And how to thread a thread through the eye of a needle: access to the bacterial cell is a pore on its outer membrane slightly larger than the thickness of DNA," explained Courtney Ellison, the study's first author. "If there were not a pile to lead the process, the probability of DNA getting to the pore with the correct angle to enter the cell would be virtually nothing."

To get the images of the process, Ellison and colleagues took advantage of the protein structure of the pili. In it, each protein is made up of a long chain of amino acids, connected to each other like a chain of pearls. In this chain, the authors replaced an amino acid with cysteine, which binds specifically to a small molecule, called maleimide, capable of carrying a fluorescent dye.

The study focused in particular on Vibrio cholerae, the pathogen of cholera. Thanks to the fluorescent marking, the researchers were able to document how the tip of a pile can hook a fragment of DNA. Once the coupling has been made, the pile retracts, bringing the genetic material to the surface of the cell.

The result is a fundamental step forward to understand the dynamics of the process, but the authors admit that some details still escape their comprehension. The next step for the research group will therefore be to study the exact way in which the pile can "hook" the DNA in a precise point. Furthermore, the authors intend to apply the method of marking the pilo also to study other functions of different bacterial structures.

The hope is that understanding in detail how the horizontal gene transfer in bacteria can help to counteract one of its worst consequences: the resistance of pathogenic bacteria to antibiotics, an increasingly worrying problem all over the world.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/06/13/news/trasferimento_genico_orizzontale_batteri-4014544/?ref=nl-Le-Scienze_15-06-2018