Come la maggior parte degli organismi, i batteri sono preda dei virus e il loro approccio per distruggere gli invasori è semplicemente farli a pezzi. Non appena vede un virus, un batterio può impiegare una serie di strategie immunitarie per affettare il suo genoma utilizzando cutter molecolari come CRISPR-Cas, anche l'omonimo di un popolare strumento di laboratorio.

Un nuovo studio ora mostra che le strategie di difesa dei batteri non funzionano isolatamente. I ricercatori della Rockefeller University hanno scoperto che si verifica un sorprendente livello di cooperazione tra il sistema CRISPR-Cas e l'altra importante strategia di difesa dei batteri, nota come enzimi di restrizione. "Molti scienziati hanno utilizzato uno o entrambi questi sistemi per le loro ricerche, ma non sapevamo fino a che punto fossero collegati nei batteri", afferma Luciano Marraffini, professore di famiglia Kayden al Rockefeller e ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute .

I risultati, pubblicati in Molecular Cell , mostrano che mentre gli enzimi di restrizione agiscono come prima linea di difesa, preparano anche il materiale di cui CRISPR-Cas avrà bisogno per colpire il virus con precisione. "Il meccanismo ricorda la nostra risposta immunitaria su più fronti", afferma Marraffini. "Include una prima linea di difesa temporanea prima di attivare una seconda risposta adattiva più robusta."

Protezione in più fasi

Gli enzimi di restrizione sono in grado di scindere brevi sequenze di DNA, quindi il batterio ne fa uso non appena il virus invade la cellula batterica. CRISPR-Cas, un sistema più sofisticato, arriva più tardi. Mentre l'enzima di restrizione sminuzza il DNA virale con la rozzezza di un tosaerba, CRISPR-Cas è come una cesoia affilata come un rasoio usata da un giardiniere scrupoloso. Taglia l'intruso virale con precisione immacolata allineandolo perfettamente a una guida molecolare mirata a una specifica sequenza genetica.

Entrambi i tipi di difese batteriche sono comunemente usati dai biologi le cui faccende quotidiane implicano la manipolazione del DNA per vari scopi, come il sequenziamento dei geni, la fluorescenza delle molecole o la creazione di animali con genomi modificati. Negli anni '70, gli scienziati hanno utilizzato gli enzimi di restrizione per sviluppare un nuovo strumento chiamato DNA ricombinante, che ha reso possibile clonare e studiare singoli geni. E un decennio fa, la tecnologia basata su CRISPR-Cas ha rivoluzionato la bioscienza offrendo agli scienziati i mezzi per modificare i genomi all'interno di cellule e organismi viventi.

Lavorando con Staphylococcus aureus, Pascal Maguin, un borsista laureato nel laboratorio di Marraffini, ha scoperto che le strategie di taglio del virus di questo batterio funzionano meglio insieme che da sole. Quando gli stafilococchi sono protetti solo dagli enzimi di restrizione, le loro difese sono di breve durata perché alcuni dei virus alla fine inizieranno a proteggere il loro DNA e dopo un po', il loro studio mostra, i batteri che crescono nel piatto cominceranno a diminuire. Se Staph ha accesso a entrambi i sistemi, tuttavia, si ripristinano rapidamente.

Maguin e i suoi colleghi hanno scoperto come funzionano di concerto i due sistemi:i segmenti precedentemente ritagliati dagli enzimi di restrizione aiutano il macchinario CRISPR-Cas a generare la guida molecolare necessaria per trovare i virus e porre fine all'infezione.

"È un po' come la vaccinazione", dice Marraffini. "L'enzima di restrizione taglia piccoli pezzi del virus che CRISPR utilizzerà per creare una risposta adattativa."

I risultati potrebbero non solo aiutarci a capire come Staph si difende dai virus; c'è la possibilità che possano anche renderci più attrezzati per difenderci dallo Stafilococco, una specie nota per la sua capacità di diventare resistente agli antibiotici. L'anno scorso, il team di Marraffini ha scoperto che il batterio utilizza il suo sistema CRISPR-Cas non solo per respingere i virus, ma anche per sviluppare la resistenza multifarmaco. Una migliore comprensione del sistema potrebbe un giorno consentire agli scienziati di manipolarlo con farmaci per combattere le infezioni da stafilococco che non rispondono ad altri trattamenti.