Hai da tre a cinque libbre di batteri che vivono dentro e sul tuo corpo in questo momento. Sono circa 38 trilioni di batteri, stimano i ricercatori. Il tuo sistema immunitario deve gestirli tutti, separare gli insetti buoni da quelli cattivi.

"Abbiamo un sistema immunitario straordinario per tenere tutto sotto controllo, e poi affrontare i batteri patogeni, "dice Catherine Leimkuhler Grimes, assistente professore di chimica e biochimica presso l'Università del Delaware. "È fantastico quando il sistema funziona, ma anche orribile quando non lo fa."

Quando un batterio benefico viene erroneamente identificato come dannoso, l'attacco del sistema immunitario può scatenare malattie infiammatorie croniche come l'asma, Morbo di Crohn e altri disturbi. Perché si verifica questa errata identificazione è un mistero, ma Grimes e il suo team di ricerca presso l'Università del Delaware hanno inventato un nuovo metodo promettente per aiutare letteralmente a illuminare ciò che accade. L'anticipo è pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Etichettare la cella "giacca"

Ora torniamo a quei 3-5 chili di batteri che portiamo in giro... Gran parte del peso proviene dalle pareti cellulari dei batteri, o "giacche, " come Grimes si riferisce a loro. Fermo, ma flessibile, sono composti da peptidoglicano, un polimero a forma di rete costituito da molecole proteiche (peptidi) e zuccheri (glicani).

I batteri emettono regolarmente frammenti della loro giacca di peptidoglicano. Quando il sistema immunitario interpreta male questi frammenti e attacca i tessuti sani, possono insorgere malattie infiammatorie croniche. Ma gli scienziati non hanno tenuto molto d'occhio questo processo, fino ad ora.

Negli ultimi quattro anni, Grimes e il suo team hanno scoperto come etichettare e illuminare la spina dorsale di zucchero del rivestimento cellulare, il primo laboratorio al mondo a farlo.

"Volevamo creare chimicamente un nuovo blocco di costruzione, come un Lego con triangoli in cima invece di cerchi, e poi alimentare questo materiale alla cella, che lo userebbe per costruire la sua giacca senza intaccare nient'altro, " ha spiegato Grimes. "Una volta che l'etichetta è stata incorporata, abbiamo pensato di poterci mettere delle "torce elettriche", che ci aiuterebbe a visualizzare i frammenti cellulari e iniziare a identificare gli ambienti immunostimolatori".

Nessuno aveva mai etichettato il glicano in questo modo all'interno dei batteri prima d'ora, Grimes ha detto, notando che l'approccio proviene dal campo relativamente nuovo della chimica bioortogonale, in cui le reazioni chimiche vengono eseguite in un sistema vivente senza interferire con i processi naturali di quel sistema. Continua a meravigliarsi di come i suoi studenti, sia come singoli scienziati con punti di forza unici che come collaboratori, siano riusciti a superare ogni ostacolo che hanno incontrato, anche quando le prospettive di successo sembravano un po' fioche.

Potere di squadra

Quando la squadra ha incontrato un grosso ostacolo all'inizio, il dottorando Hai Liang ha salvato la giornata, ha detto Grimes. Aveva appena letto un manoscritto recente dal laboratorio di Christoph Mayer all'Università di Tubinga, Germania, su come i batteri sono riciclatori naturali.

"I batteri sono molto 'verdi, '", ha detto Liang. "In realtà spendono molta energia per creare questo polimero - peptidoglicano - e vogliono indietro i suoi elementi costitutivi".

Liang ha detto al team come il gruppo di Mayer avesse rivelato due enzimi di riciclaggio, che Liang pensava potesse potenzialmente scortare il loro blocco di costruzione chimicamente modificato nella cellula. Ma la cellula accetterebbe il loro mattone un po' eccentrico con i triangoli in cima?

La studentessa di dottorato Kristen DeMeester ha sviluppato una sintesi per installare la funzionalità bioortogonale (i "triangoli") - un alchino o un azide - sui mattoni dello zucchero e ha testato la risposta delle cellule. Ai batteri è piaciuto e hanno ricevuto le loro torce.

Ha anche scoperto come produrre grandi quantità di zuccheri (glicano) come materia prima.

"Anche mentre vai a fare jogging, Penserei a come rendere questi zuccheri più veloci, " ha detto DeMeester. "Ora posso farlo in una settimana, e insegno agli studenti universitari come farlo." Il suo processo per produrre questi composti, e il metodo UD stesso, sono ora in attesa di brevetto.

I collaboratori offrono una visione più chiara

Per assicurarsi che il loro metodo funzionasse, Grimes attribuisce all'impianto di spettrometria di massa di UD il merito di aver aiutato a estrarre i loro elementi costitutivi del peptidoglicano dai campioni di cellule e a trovare il frammento che stavano cercando.

Jeffrey Caplan, direttore del Centro di Bio-Imaging di UD, addestrato il team sul microscopio a super risoluzione ad alta potenza, con la sua capacità di imaging 3D, per vedere le torce che mettono sulla parete cellulare batterica.

"Il modo in cui Catherine e il suo team etichettavano direttamente ciò che volevano vedere, con quasi il 100% di specificità, era incredibilmente elegante ed emozionante, " ha detto Caplan. "In realtà stavamo vedendo all'interno delle pareti della cella, rivelando singole molecole attaccate agli zuccheri."

"Senza Jeff, le nostre scoperte non sarebbero mai avvenute, " disse Grimes. "Jeff ci ha messo gli occhiali."

Ma in che modo questi frammenti etichettati influenzano il sistema immunitario? Inserisci la collaboratrice Michelle Parent, professore associato di scienze di laboratorio medico presso UD, e dottorando Ching-Wen (Sandy) Hou, che lavora con i macrofagi, cellule che trovano e mangiano corpi estranei.

Quando fai crescere cellule umane, non vuoi niente di sporco in giro. Ma un'incubatrice sporca è esattamente ciò di cui Hou aveva bisogno e che usava per la coltura E. coli . Dopo aver trattato queste cellule con i macrofagi, guardò al microscopio e vide frammenti di batteri all'interno del macrofago, insieme a pezzi di peptidoglicano.

"Speriamo di vedere quale frammento attiva la risposta immunitaria in futuro, "Ho detto.

Il nuovo metodo UD sta già attirando nuovi collaboratori nel laboratorio Grimes. Uno studio con ricercatori dell'Università del Massachusetts Amherst si concentra su Micobatteri tubercolosi , che provoca la tubercolosi, mentre Helicobacter pylori , il batterio che causa il cancro allo stomaco, è l'obiettivo di uno sforzo congiunto con il Fred Hutchinson Cancer Research Center di Seattle.

Una squadra da sogno

Dire che Grimes è orgoglioso del suo team di ricerca sarebbe un eufemismo.

"Vedere questi studenti laureati lavorare insieme in modo così fluido e non lasciare che il loro ego si intrometta—è fantastico, " ha detto Grimes. "I miei colleghi di altre università chiedono, come hai fatto a convincere i tuoi studenti a lavorare così bene insieme? Penso che questa sia stata la migliore collaborazione che abbia mai sperimentato".

Fare una differenza positiva, attraverso la scienza, per le persone in tutto il mondo che soffrono di malattie infiammatorie croniche è l'obiettivo finale del suo team, ha detto Grimes. Trovare terapie migliori e potenziali cure richiederà capacità intellettuali, tenacia e duro lavoro. E non è tutto.

Se visiti l'ufficio di Grimes a UD, probabilmente vedrai le magliette annuali del suo laboratorio appese al muro. Sul retro del modello 2015 è blasonata una frase che segue il suo laboratorio:"Fidati del tuo istinto".