Con i colpi di pugnale contro le amebe

I batteri devono stare attenti alle amebe. Perché le amebe affamate danno loro la caccia. Catturano i batteri con i loro pseudopodi, li ingeriscono e infine li digeriscono.

Tuttavia, ci sono anche batteri che sanno come difendersi. Amoebophilus è uno di questi sistemi. I ricercatori dell'Università di Vienna lo hanno scoperto qualche anno fa. Il batterio può sopravvivere all'interno delle amebe. Inoltre, ha addirittura fatto dell'interno delle amebe il suo habitat preferito.

Gli scienziati dell'ETH di Zurigo, insieme agli scopritori viennesi del batterio, hanno ora trovato un meccanismo che suppongono sia responsabile della sopravvivenza del batterio. Amoebophilus è centrale all'interno dell'ameba. Il batterio dispone di micropugnali e di dispositivi di estensione adeguati. Può usare i pugnali per infastidire le amebe dall'interno e sfuggire così alla digestione.

La liberazione dallo stomaco delle amebe

Il dispositivo di estensione è costituito da un tubo guaina che è attaccato all'interno della membrana del batterio Chi siamo, una piastra di base e un ancoraggio. Jo?o Medeiros, dottorando del gruppo del professor Martin Pilhofer dell'ETH, spiega il meccanismo: "Il tubo della guaina è sottoposto a una tensione elastica e il micropugnale si trova al suo interno. Quando il tubo della guaina si contrae, il pugnale viene spinto verso l'esterno con estrema rapidità dalla membrana batterica".

I batteri incorporati si trovano nelle amebe in un compartimento digestivo specializzato circondato da una membrana. "I risultati della nostra ricerca suggeriscono che i batteri sono in grado di spingere i pugnali nella membrana del compartimento digestivo dell'ameba", afferma Désirée B?ck, anch'essa dottoranda del gruppo di Pilhofer e prima autrice dell'articolo pubblicato sulla rivista Science. In questo modo il compartimento inospitale per i batteri si rompe e rilascia i batteri. Al di fuori del compartimento digestivo, ma sempre all'interno dell'ameba, i batteri possono sopravvivere e persino moltiplicarsi.

Non si sa ancora esattamente come venga distrutto il comparto digestivo. "? possibile che l'involucro si rompa solo per motivi meccanici", afferma Pilhofer. Tuttavia, è anche ipotizzabile che i pugnali del Amoebophilus-I ricercatori ritengono che i batteri siano impregnati di una sorta di veleno per frecce, con enzimi che degradano la membrana. Come hanno dimostrato Matthias Horn, professore dell'Università di Vienna, e i suoi collaboratori, il materiale genetico dei batteri contiene le istruzioni per la costruzione di tali enzimi.

Fresatura di precisione

Utilizzando un metodo completamente nuovo, utilizzato solo da pochi laboratori di ricerca in tutto il mondo, tra cui quello dell'ETH del professor Pilhofer, gli scienziati sono riusciti a determinare la struttura tridimensionale dei pugnali e dei loro dispositivi di estensione in alta risoluzione. Per fare ciò, la dottoranda B?ck ha congelato le amebe con i batteri incorporati a meno 180 gradi Celsius.

Come un paleontologo che usa martello e scalpello per scoprire i fossili da una roccia, il dottorando Medeiros ha usato un fascio di ioni finemente focalizzato come un "nano-scalpello" per lavorare sui campioni congelati: Con un lavoro di precisione impressionante, è riuscito a fresare via l'ameba e gran parte del batterio, esponendo i pugnali molecolari e i loro lanciatori per creare infine un tomogramma elettronico tridimensionale.

Prima immagine della struttura complessiva

Sistemi simili al dispositivo di espulsione del pugnale esistono anche in altre parti della biologia: i virus specializzati nell'infettare i batteri (batteriofagi) utilizzano tali sistemi per iniettare il loro materiale genetico nei microrganismi. Esistono anche batteri in grado di secernere tali microapparati nell'ambiente, dove combattono i microrganismi concorrenti.

Nel loro lavoro, gli scienziati presentano per la prima volta in un contesto naturale l'intera struttura spaziale di un dispositivo di espulsione situato all'interno di una cellula. I ricercatori mostrano inoltre per la prima volta l'aspetto della piastra di base e dell'ancoraggio di questo dispositivo di espulsione. "In passato, i biologi cellulari studiavano la funzione di questi sistemi e i biologi strutturali erano in grado di delucidare la struttura dei singoli componenti", afferma Pilhofer. "Tuttavia, con la tecnologia che abbiamo sviluppato all'ETH, la fresatura del fascio di crioioni e la tomografia crioelettronica, possiamo ora colmare il divario tra biologia cellulare e biologia strutturale".

Pistole a più canne

Gli apparati di microiniezione precedentemente conosciuti si verificano singolarmente. Gli scienziati di Zurigo e Vienna hanno Amoebophilus I ricercatori hanno ora trovato per la prima volta apparati che si presentano in fasci fino a circa 30 apparati di questo tipo. "Potremmo anche chiamarli cannoni a più canne", dice Pilhofer.

Utilizzando confronti genetici, i ricercatori hanno anche indagato sulla questione di come Amoebophilus Il batterio ha sviluppato i suoi dispositivi di espulsione dei pugnali nel corso della storia evolutiva. "I geni corrispondenti sono molto simili a quelli dei sistemi di iniezione dei batteriofagi", spiega Pilhofer. "Supponiamo che i geni dei precursori degli attuali batteriofagi si siano annidati nel materiale genetico dei batteri molto tempo fa".

Disponibile anche per altri batteri

I confronti genetici suggeriscono anche che i micro pugnali appena scoperti non si trovano solo in Amoebophilus ma anche in numerose altre specie batteriche appartenenti ad almeno nove dei più importanti gruppi batterici. I ricercatori devono ancora verificare se anche questi batteri usano i loro pugnali per evitare di essere digeriti dalle amebe, o se i pugnali hanno scopi completamente diversi. Il lavoro non mancherà di certo.

Infine, gli scienziati vorrebbero utilizzare il nuovo metodo, il cryo-ion beam milling, per l'elucidazione strutturale di altri sistemi molecolari complessi. "La tecnica dovrebbe essere interessante per molte questioni di biologia cellulare, delle infezioni e strutturale. Stiamo già collaborando con altri gruppi di ricerca e offrendo loro la nostra esperienza", afferma il dottorando Medeiros all'ETH.