Ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) a Monaco di Baviera, Germania, hanno caratterizzato il meccanismo fisico che consente a un patogeno batterico diffuso di aderire ai tessuti del suo ospite umano.

I patogeni batterici hanno sviluppato strategie altamente efficaci che consentono loro di aderire a cellule bersaglio e nicchie nei tessuti dei loro organismi ospiti. Fanno anche uso di principi fisici relativamente sconosciuti, come un nuovo studio sulla rivista Scienza dimostra. In collaborazione con scienziati dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Lukas Milles e il professor Hermann Gaub della Facoltà di Fisica della LMU hanno scoperto il meccanismo che permette al batterio Staphyloccus epidermidis di legarsi così tenacemente ai tessuti ospiti. Infatti, la squadra non ha solo individuato la base fisica per l'interazione, ma ha anche caratterizzato il meccanismo di aderenza con dettagli senza precedenti.

Questa impresa è stata resa possibile dal nuovo approccio su due fronti utilizzato nello studio. I ricercatori hanno utilizzato la microscopia a forza atomica per misurare la forza di legame tra una proteina di adesione dello stafilococco (SdrG di Staphylococcus epidermidis) e il suo ligando affine (fibrinogeno β) a livello di singola molecola in vitro, e calcolato i contributi di tutti gli atomi coinvolti nell'interazione in silico, con l'aiuto di un supercomputer particolarmente potente. "Questo paradigma innovativo produce intuizioni che prima erano irraggiungibili, " fa notare Gaub. Per sezionare il meccanismo di adesione, il supercomputer Blue Waters dell'Università dell'Illinois, con i suoi 900, 000 processori uno dei più avanzati al mondo, effettuato simulazioni dettagliate di dinamica molecolare. La tenacia dell'interazione ha sorpreso la squadra. "La forza di legame meccanico che tiene insieme i componenti di un singolo complesso ammonta a più di 2 nanonewton (nN). Questo è un valore straordinario per un'interazione non covalente, paragonabile alla forza dei legami covalenti tra atomi, quali sono i legami molecolari più stabili che conosciamo, "dice Gaub.

Lo studio mostra che, grazie alla geometria dell'interazione, la proteina di adesione forma una fitta rete di legami idrogeno non covalenti con il suo ligando. Inoltre, questa rete è mediata dai legami peptidici che costituiscono la spina dorsale ripetitiva della proteina, piuttosto che le catene laterali variabili che differenziano le sue subunità amminoacidiche. Il gran numero di interazioni locali coinvolte porta ad un irrigidimento di ciascun legame idrogeno, che dà origine a ciò che i fisici chiamano 'una geometria di taglio cooperativa'. "Questo tipo di struttura può resistere a sollecitazioni estreme, perché tutti i singoli legami devono essere spezzati in una volta per separare il complesso, " come spiega Lukas Milles. Il meccanismo è analogo all'interazione tra i tanti piccoli ganci e passanti su due strisce di velcro, che sono estremamente difficili da separare quando tirati dalle estremità opposte. "Il batterio si avvale di un meccanismo molto insolito, che è allo stesso tempo estremamente intricato e altamente efficace, e conferisce all'agente patogeno un vantaggio decisivo, " dice Gaub. Poiché il meccanismo si basa sulle ossature peptidiche delle molecole interagenti, che è comune a tutte le proteine, questo livello di stabilità può essere raggiunto nelle interazioni con un ampio spettro di obiettivi. In altre parole, la resistenza meccanica estremamente elevata dell'interazione è largamente indipendente sia dalla sequenza amminoacidica della proteina di adesione sia dalle proprietà biochimiche del peptide bersaglio.

Gli stafilococchi sono responsabili di un'ampia gamma di infezioni negli animali e nell'uomo. "I batteri patogeni si legano alle molecole bersaglio sulle cellule ospiti con una persistenza insolita, e questo ha la sua base nei principi fisici. Nella ricerca di modi per bloccare le infezioni invasive, una migliore comprensione dei principi fisici coinvolti è vitale, " dice Hermann Gaub. Così, il nuovo studio pone le basi per lo sviluppo di nuove terapie per il trattamento delle infezioni da stafilococco.