atrazina, un controverso erbicida introdotto in agricoltura negli anni '50, è stato vietato nell'Unione europea, ma è ampiamente utilizzato negli Stati Uniti e in Australia. Nei decenni che l'atrazina si è accumulata nei campi agricoli, alcuni batteri in quei terreni hanno evoluto la capacità di sfruttare questo composto ricco di azoto, metabolizzandolo e usandolo per crescere.

Ricercatori presso la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization of Australia, o CSIRO, sono interessati a sfruttare la capacità dei batteri di degradare l'atrazina per riparare gli ambienti inquinati da atrazina. In un nuovo documento di ricerca pubblicato su Journal of Biological Chemistry , un team del CSIRO e dell'Australian National University descrive proteine ​​precedentemente sconosciute coinvolte nella degradazione dell'atrazina e le intuizioni che queste possono darci su come i batteri evolvono nuove capacità in risposta alle sostanze chimiche sintetizzate dall'uomo. "I batteri sono davvero bravi ad evolversi per essere in grado di sfruttare nuove fonti di nutrienti, e lo fanno adattando il macchinario cellulare esistente per nuove funzioni, " ha detto Colin Scott, il capo del team di biocatalisi e biologia sintetica del CSIRO, che ha curato i lavori.

Trasformare l'atrazina in una fonte di azoto utilizzabile è un processo in più fasi per i batteri, coinvolgendo più enzimi. Ciascuno di questi enzimi aveva precedentemente svolto funzioni diverse nelle cellule batteriche nel mondo prima del diffuso inquinamento da atrazina. Nei batteri che degradano l'atrazina, i geni che codificano questi enzimi sono raggruppati su una sezione di DNA chiamata plasmide, che può essere facilmente trasmesso tra i batteri, dando loro un nuovo adattamento già pronto.

"Entro 10 anni dalla sua scoperta originale (negli anni '90), i geni di questo percorso sono stati trovati (nei batteri) praticamente in tutti i continenti tranne l'Antartide, " disse Scott. In altre parole, poiché l'uso di atrazina si è diffuso in tutto il mondo, così ha fatto la capacità batterica di metabolizzarlo.

Considerando che gli enzimi coinvolti in molti di questi passaggi sono stati descritti in modo approfondito, la struttura di uno di essi, chiamato AztE, era ancora sconosciuto. AztE è fondamentale per convertire un acido cianurico, un passaggio intermedio nel processo di degradazione dell'atrazina, in ammoniaca.

Lygie Esquirol, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Scott, ha portato lo sforzo di purificare questa proteina. Quando il team ha esaminato la proteina, trovò qualcosa di sorprendente:un altro, proteine ​​molto piccole, la cui esistenza non era stata prevista dalla sequenza del genoma del batterio, formando un complesso con AztE. Questa nuova proteina, che la squadra ha chiamato AztG, sembrava necessario per stabilizzare la struttura di AztE.

Insieme, la struttura di AztE e AztG assomigliava a un diverso complesso proteico batterico:il transamidasoma, che aiuta a produrre RNA di trasferimento batterico. Così, sembrava che le proteine ​​coinvolte nelle funzioni di base della cellula batterica fossero state riorganizzate per la nuova via dell'atrazina.

"(Il transamidasoma) è assolutamente essenziale per i batteri nel modo in cui producono i loro tRNA, " ha detto Scott. "E 'stato in qualche modo sorprendente che la nostra proteina, che è coinvolto nel catabolismo dei pesticidi, era (simile) a questo complesso proteico che viene utilizzato nel metabolismo centrale".

La promessa della biologia sintetica è che gli esseri umani possono combinare geni che codificano funzioni diverse in un organismo in modi creativi. Però, sebbene sia relativamente semplice inserire i geni in nuovi contesti, non c'è sempre la garanzia che un percorso di nuova costruzione funzionerà come previsto. È quindi istruttivo esaminare percorsi come il percorso di degradazione dell'atrazina, in cui i batteri hanno riproposto con successo una serie di geni non correlati per fare qualcosa di nuovo.

"Questo (sentiero) è venuto da altri luoghi ed è stato messo insieme, ma ci devono essere alcune regole e vincoli sottostanti su come farlo, "Scott ha detto. "Non sappiamo al momento quali siano le regole di progettazione per percorsi complessi in termini di architettura genetica. Quello che vogliamo fare è utilizzare il percorso dell'acido cianurico come modello per comprendere alcuni di questi principi di progettazione".

I batteri che degradano l'atrazina convertono l'atrazina in composti azotati che le piante potrebbero utilizzare come fertilizzante, ma questo pone i suoi problemi:il deflusso di azoto nell'acqua provoca fioriture di alghe e morie di animali. Così, uno dei problemi chiave che i ricercatori del CSIRO stanno cercando di risolvere è come contenere la reazione in modo che avvenga solo dove e come gli umani ne hanno bisogno. Un approccio consiste nell'utilizzare l'applicazione mirata di enzimi purificati da questi batteri, piuttosto che i batteri stessi.

"Come tecnologia, siamo andati sul campo e abbiamo dimostrato che (gli enzimi) possono funzionare, " Scott ha detto. "Il prossimo passo è lavorare con l'industria per cercare di implementare alcune di queste soluzioni".