Semplicemente troppa complessità

? uno dei peptidi più complessi conosciuti in natura: un nanotubo che agisce come citotossina ed è utilizzato dalle spugne marine che vivono nell'Oceano Pacifico come difesa contro altri organismi. Viene prodotto da batteri che vivono in simbiosi con le spugne. Il meccanismo di produzione della proteina batterica produce innanzitutto un peptide precursore. Gli enzimi batterici modificano poi questo peptide in non meno di 49 siti precisamente definiti (vedi riquadro). Queste modifiche determinano la forma e la funzione del nanotubo peptidico e ne aumentano la stabilità.

"I peptidi con così tante modifiche chimiche specifiche sono insoliti e rari in natura. Non siamo a conoscenza di alcun esempio più complesso", afferma J?rn Piel, professore dell'Istituto di microbiologia dell'ETH di Zurigo. Altrettanto notevole è il fatto che i batteri richiedano solo sette enzimi per le modifiche, come hanno scoperto Piel e i suoi colleghi.

Questi enzimi erano già noti grazie a studi genetici. Tuttavia, se siano sufficienti a mediare tutte le modifiche è stato finora controverso. Piel, il suo postdoc Michael Freeman, ora professore all'Università del Minnesota, e altri suoi collaboratori hanno quindi fatto una prova: hanno inserito i geni di questi enzimi singolarmente in batteri di laboratorio del tipo E. coli e Rizobium 1. Utilizzando un approccio biotecnologico a più stadi, sono riusciti a produrre peptidi con quasi tutte le 49 modifiche. I ricercatori sono anche riusciti a dimostrare che il "set minimo" di sette enzimi è sufficiente per mediare le modifiche. Ne danno notizia sulla rivista scientifica "Nature Chemistry".

Un nuovo potenziale agente antitumorale

Le tossine cellulari come il peptide del batterio spugna analizzato sono di interesse medico, ad esempio come potenziali nuovi agenti antitumorali. Tuttavia, non è possibile estrarre il peptide come sostanza naturale direttamente dal batterio spugna su scala industriale. "Il batterio ha bisogno di una spugna specifica, presente solo in Giappone, come partner simbiotico. Non è ancora possibile coltivarlo in laboratorio", spiega Piel.

Lui e i suoi colleghi stanno quindi cercando di ottimizzare la produzione biotecnologica, attualmente ancora complessa, della molecola dei batteri spugna. Il loro obiettivo è trovare un batterio coltivabile nel cui genoma possano essere incorporate simultaneamente le istruzioni per la costruzione di tutti e sette gli enzimi, in modo da produrre la complessa molecola in un unico passaggio.

Strumento per la biotecnologia

Tuttavia, l'interesse dei ricercatori non riguarda solo il peptide analizzato, ma anche i sette enzimi. Uno di essi è in grado di invertire la struttura atomica dei mattoni dei peptidi - gli amminoacidi - nella loro immagine speculare. "Questo enzima cambia la configurazione di ogni secondo amminoacido del peptide. Questo crea il prerequisito per la formazione della struttura tubolare del peptide", spiega l'ETH professor Piel. Gli amminoacidi con una configurazione a immagine speculare sono rari in natura. L'enzima che media il cambiamento strutturale è quindi uno strumento interessante per la biologia sintetica e la biotecnologia.

I batteri che non possono essere coltivati in laboratorio sono una delle principali aree di ricerca di Piel. Solo una piccola parte dei batteri presenti in natura cresce in condizioni di laboratorio ed è quindi facile da studiare. Dei batteri che vivono nelle spugne, ad esempio, solo l'uno per mille o l'uno per cento può essere coltivato. Con la ricerca sui batteri non coltivati, gli scienziati sperano di trovare nuovi enzimi da utilizzare in biotecnologia e nuove sostanze naturali di rilevanza medica.