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Fino ad ora, cioè. Lorenzo Talà, uno studente di dottorato nel laboratorio di Alexandre Persat all’Istituto di Bioingegneria e Salute Globale dell’EPFL, ha sviluppato un metodo di microscopia che può osservare direttamente le strutture che molti batteri usano per strisciare.
“Le superfici batteriche sono decorate con filamenti proteici coinvolti nella motilità, adesione, segnalazione e patogenicità, che in definitiva regolano come i batteri interagiscono con i loro ambienti” dice Talà. “Tuttavia, sono così piccoli che osservarli nelle cellule vive è estremamente complesso. Questo è particolarmente vero per le strutture note come “pili di tipo IV”: filamenti di dimensioni nanometriche che si estendono e si ritraggono dalla superficie di molti batteri, aiutandoli a camminare in un modo noto come “motilità di torsione”. Il termine potrebbe non sembrare molto serio, ma attiva meccanicamente la virulenza in alcuni agenti patogeni – il che significa che è un obiettivo primario per combatterli.
Gli scienziati hanno studiato il batterio Pseudomonas aeruginosa, un patogeno opportunistico che si trova comunemente nel suolo. È uno dei batteri più preoccupanti dal punto di vista medico: causa principale di infezioni contratte in ospedale e di infezioni gravi nella fibrosi cistica, nelle ustioni traumatiche e nei pazienti immunocompromessi, è ora al primo posto nella watch-list di resistenza agli antibiotici dell’Organizzazione mondiale della sanità.
Ma i singoli batteri orchestrano il movimento dei pili di tipo IV per alimentare la loro motilità? “Nei nostri studi sui pili di tipo IV e sulla meccano-attivazione della virulenza in Pseudomonas aeruginosa, un paradosso tecnico è stato fonte di frustrazione: i pili, ma anche le fimbrie, i flagelli e i sistemi di iniezione si estendono permanentemente al di fuori delle singole cellule, quindi perché non possiamo visualizzarli direttamente?”
Per superare questo, gli scienziati hanno esplorato un metodo di microscopia emergente, sperimentato dal loro collaboratore Philipp Kukura all’Università di Oxford. Utilizzando una tecnica chiamata microscopia a diffusione interferometrica (iSCAT), sono stati in grado di vedere questi filamenti di dimensioni nanometriche in cellule vive, senza etichette chimiche, ad alta velocità e in tre dimensioni.
“iSCAT rappresenta un importante progresso tecnologico in microbiologia”, dice Persat. “Abbiamo recentemente descritto la tecnica di visualizzazione e abbiamo ricevuto un ampio feedback positivo tra gli scienziati in una varietà di discipline semplicemente perché potremmo finalmente osservare dinamicamente i pili nei batteri vivi direttamente dalla cultura.”
Per capire il coordinamento dei movimenti dei pili di tipo IV, gli scienziati si sono concentrati sulla temporizzazione precisa della successione di attacco alla superficie, ritrazione e spostamenti del corpo cellulare utilizzando iSCAT. L’approccio ha rivelato tre eventi chiave che portano al successo e al movimento energeticamente efficiente attraverso le superfici.
In primo luogo, il contatto della punta del pilus con la superficie attiva un motore molecolare che avvia la ritrazione. In secondo luogo, questa ritrazione migliora l’attaccamento del pilus alla superficie, aumentando lo spostamento del batterio. Infine, un secondo motore molecolare più forte rafforza lo spostamento del batterio in caso di forte attrito.
Questa sequenza mostra che i pili agiscono come sensori e rivela un nuovo meccanismo con cui i batteri interagiscono con le superfici. Rivela anche che i batteri usano meccanismi sensoriali per coordinare il movimento dinamico delle loro macchine di motilità, in una sorprendente analogia con il modo in cui gli organismi superiori, compresi gli esseri umani, muovono i loro arti per generare lo spostamento.
“Il sistema nervoso centrale umano elabora segnali meccanosensoriali per impegnare sequenzialmente i componenti motori, innescando così la contrazione muscolare e dando luogo all’andatura”, spiega Talà. “Il nostro lavoro mostra che allo stesso modo, i batteri usano il senso del tatto per impegnare sequenzialmente i motori molecolari, generando cicli di estensione e ritrazione dei pili che si traducono in un modello di camminata.”
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