Nei momenti che precedono l'assalto da un breve, peculiare peptide, i batteri crescono felicemente, il loro DNA si muove intorno alla cellula nei movimenti semi-casuali caratteristici della vita.

Secondi dopo, il tremolio si ferma. La vita si ferma.

Circa 100 milioni di peptidi:brevi frammenti di amminoacidi, le unità di base delle proteine, chiamate LL-37, hanno invaso la cellula, dove, con forti cariche elettriche, si sono legati saldamente al macchinario che guida la cellula, immobilizzandolo e uccidendolo.

"Il DNA sembra congelarsi in pochi secondi, "dice James Weisshaar, professore di chimica all'Università del Wisconsin-Madison. "Questo è lo strano evento che ci ha fatto andare avanti."

Un nuovo lavoro del laboratorio di Weisshaar suggerisce un meccanismo precedentemente sconosciuto dietro la funzione di LL-37 e peptidi simili, che sono in fase di sperimentazione in studi clinici in fase iniziale per il trattamento di infezioni resistenti agli antibiotici classici. Una migliore comprensione del funzionamento dei peptidi antimicrobici potrebbe aiutare i ricercatori a trasformarli in terapie.

Utilizzando tecniche microscopiche avanzate, Weisshaar e i suoi studenti laureati Yanyu Zhu e Soni Mohapatra hanno documentato il potere di arresto di LL-37, un peptide antimicrobico prodotto dal sistema immunitario umano come difesa di prima linea contro i patogeni. LL-37 appartiene a una classe di antichi peptidi che combattono i batteri in modo diverso rispetto alla maggior parte degli altri antibiotici, uno a cui è difficile resistere per i batteri. Ma il meccanismo dietro l'azione di LL-37 e dei suoi simili è stato difficile da definire.

Scrivendo nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze a gennaio, Il gruppo di Weisshaar rivela che una volta che LL-37 ottiene l'ingresso in una cellula batterica, compromette rapidamente la libertà di movimento necessaria per il funzionamento del DNA e delle proteine. I ricercatori ipotizzano che la grande carica elettrica positiva di LL-37 lo aiuti a legarsi alle molecole caricate in modo schiacciante negativo all'interno della cellula, rendere permanente il danno.

La maggior parte degli antibiotici sono sostanze chimiche a piccole molecole che agiscono interferendo con una singola proteina, che interrompe il metabolismo del patogeno. Ma LL-37 e gli antimicrobici correlati sono diversi. Sono fatti di aminoacidi e sono molto più grandi di altri antibiotici. E ricerche precedenti hanno suggerito che aggrediscono l'integrità dell'intera cellula, in parte praticando fori nella membrana cellulare, eviscerare efficacemente gli agenti patogeni.

Recentemente, Il team di Weisshaar stava studiando gli effetti dell'LL-37 sulle cellule utilizzando una tecnica vincitrice del premio Nobel nota come microscopia a superrisoluzione, che può tracciare singole molecole in una cellula. Hanno notato che non solo la proteina causava la fuoriuscita del contenuto della cellula, ma fermò anche il movimento normalmente occupato delle molecole all'interno della cellula.

I ricercatori hanno monitorato il movimento del DNA e dei ribosomi delle cellule, macchine molecolari che traducono le istruzioni del DNA nelle proteine ​​che gestiscono la cellula. Entrambi si sono bloccati pochi istanti dopo che LL-37 è entrato nella cella. Inghiottito da LL-37, i batteri assomigliavano a cellule fissate con formaldeide, una sostanza chimica di congelamento cellulare potente e permanente.

Gli indizi sul potere di arresto di LL-37 provenivano dalle cariche elettriche trasportate dalla maggior parte delle molecole cellulari. DNA, ribosomi e molte proteine ​​hanno grandi cariche negative.

"Tutte queste proteine ​​​​negative e il DNA possono scivolare l'uno sull'altro, e quando si avvicinano troppo si respingono e vanno avanti, " dice Weisshaar. È una specie di lubrificazione a carica elettrica.

In contrasto, LL-37 è fortemente positivo. Weisshaar e il suo team credono che queste cariche opposte si attraggano potentemente l'una con l'altra all'interno della cellula. Con circa 100 milioni di copie di LL-37 che entrano in ogni cellula, è come lanciare milioni di chiavi inglesi nella macchina della vita. Tutto si ferma.

Andando avanti, Weisshaar prevede di testare questa idea di carica elettrica modificando la carica su LL-37. Il suo gruppo vedrà anche se altri peptidi antimicrobici, che si trovano attraverso l'albero della vita, allo stesso modo congelano le cellule nelle loro tracce. Questa conoscenza potrebbe aiutare gli scienziati nella loro ricerca di alternative agli antibiotici classici man mano che i patogeni sviluppano una resistenza ad essi.

"Impariamo come la natura fa questo, e forse questo aiuterà a informare su come progettare qualcosa di utile in ospedale, "dice Weisshaar.