Come il muco doma i microbi

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Una nuova ricerca rivela che i glicani – molecole di zucchero ramificate presenti nel muco – possono impedire ai batteri di comunicare tra loro e formare biofilm infettivi, rendendo i microbi efficacemente innocui.

Più di 200 metri quadrati del nostro corpo – compreso il tratto digestivo, i polmoni e il tratto urinario – sono rivestiti di muco. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno scoperto che il muco non è solo una barriera fisica che intrappola batteri e virus, ma può anche disarmare i patogeni e impedire loro di causare infezioni.

Un nuovo studio del MIT rivela che i glicani – molecole di zucchero ramificate presenti nel muco – sono responsabili della maggior parte di questo addomesticamento dei microbi. Ci sono centinaia di diversi glicani nel muco e il team del MIT ha scoperto che queste molecole possono impedire ai batteri di comunicare tra loro e formare biofilm infettivi, rendendoli effettivamente innocui.

Ciò che abbiamo nel muco è una miniera d’oro terapeutica”, afferma Katharina Ribbeck, Mark Hyman, Jr. Professore di ingegneria biologica presso il MIT. “Questi glicani hanno funzioni biologiche molto ampie e sofisticate. Hanno la capacità di regolare il comportamento dei microbi e di mettere a punto la loro identità”.

In questo studio, che appare oggi in Nature Microbiology, i ricercatori si sono concentrati sulle interazioni dei glicani con lo Pseudomonas aeruginosa, un patogeno che può causare infezioni nei pazienti con fibrosi cistica e persone con sistema immunitario compromesso. I lavori in corso nel laboratorio di Ribbeck hanno dimostrato che i glicani possono regolare anche il comportamento di altri microbi.

L’autore principale dell’articolo è lo studente laureato del MIT, Kelsey Wheeler.

Difensori potenti

La persona media produce diversi litri di muco ogni giorno e fino a poco tempo fa si pensava che questo muco funzionasse principalmente come lubrificante e barriera fisica. Tuttavia, Ribbeck e altri hanno dimostrato che il muco può effettivamente interferire con il comportamento batterico, impedendo ai microbi di attaccarsi alle superfici e comunicare tra loro.

Nel nuovo studio, Ribbeck voleva testare se i glicani fossero coinvolti nella capacità del muco di controllare il comportamento dei microbi. Queste molecole di zucchero, un tipo di oligosaccaride, si attaccano alle proteine ​​chiamate mucine, i mattoni del muco che formano il gel, per formare una struttura simile a una bottiglia. Glicani associati al muco sono stati poco studiati, ma Ribbeck pensava che avrebbero potuto svolgere un ruolo importante nell’attività disarmante dei microbi che aveva visto in precedenza.

Per esplorare questa possibilità, Ribbeck ha isolato i glicani e li ha esposti allo Pseudomonas aeruginosa. In seguito all’esposizione ai glicani della mucina, i batteri hanno subito ampi cambiamenti di comportamento che li hanno resi meno dannosi per l’ospite. Ad esempio, non producevano più tossine, si attaccavano o uccidevano le cellule ospiti o esprimevano geni essenziali per la comunicazione batterica.

Questa attività disarmante dei glicani ha avuto potenti conseguenze sulla capacità dello Pseudomonas di stabilire infezioni. Ribbeck ha dimostrato che il trattamento delle ferite da ustione infette da Pseudomonas con mucine e glicani riduce la proliferazione batterica, indicando il potenziale terapeutico di questi agenti neutralizzanti la virulenza.

“Abbiamo visto che le mucine intatte hanno effetti regolatori e possono causare cambiamenti comportamentali in tutta una gamma di agenti patogeni, ma ora possiamo individuare il meccanismo molecolare e le entità responsabili di ciò, che sono i glicani”, afferma Ribbeck.

In questi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato raccolte di centinaia di glicani, ma ora hanno in programma di studiare gli effetti dei singoli glicani, che possono interagire specificamente con percorsi diversi o microbi diversi.

Interazioni batteriche

Lo Pseudomonas aeruginosa è solo uno dei molti patogeni che il muco sano tiene sotto controllo. Ribbeck sta ora studiando il ruolo dei glicani nella regolazione di altri agenti patogeni, tra cui lo streptococco e il fungo Candida albicans e sta anche lavorando per identificare i recettori sulle superfici cellulari dei microbi che interagiscono con i glicani.

Il suo lavoro sullo streptococco ha dimostrato che i glicani possono bloccare il trasferimento genico orizzontale, un processo che i microbi usano spesso per diffondere i geni per la resistenza ai farmaci.

Ribbeck e altri ricercatori sono ora interessati a utilizzare ciò che hanno appreso su mucine e glicani per sviluppare muco artificiale, che potrebbe offrire un nuovo modo di trattare le malattie derivanti da muco perso o difettoso.

“Sfruttare i poteri del muco potrebbe anche portare a nuovi modi di trattare le infezioni resistenti agli antibiotici, perché offre una strategia complementare agli antibiotici tradizionali”, afferma Ribbeck. “Ciò che abbiamo trovato in questa ricerca è che la natura ha evoluto la capacità di disarmare i microbi difficili, invece di ucciderli. Ciò non solo contribuisce a limitare la pressione selettiva per lo sviluppo di resistenza, ma dovrebbe anche contribuire a creare e mantenere un microbioma diversificato “.

Ribbeck sospetta che anche i glicani nel muco svolgano un ruolo chiave nel determinare la composizione del microbioma – i trilioni di cellule batteriche che vivono all’interno del corpo umano. “Molti di questi microbi sono benefici per i loro ospiti umani e i glicani possono fornire loro i nutrienti di cui hanno bisogno o altrimenti aiutarli a prosperare”, dice il ricercatore. “In questo modo, i glicani associati al muco sono simili ai molti oligosaccaridi presenti nel latte materno, che contiene anche una vasta gamma di zuccheri in grado di regolare il comportamento dei microbi”.

“Questo è un tema che è probabilmente in gioco in molti sistemi in cui l’obiettivo è quello di modellare e manipolare le comunità all’interno del corpo, non solo negli esseri umani, ma in tutto il regno animale”, afferma Ribbeck.

La ricerca è stata finanziata dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation, dal National Institute of Environmental Health Sciences e dal MIT Deshpande Center for Technological Innovation.

Fonte, Nature