Da più di un decennio, gli scienziati hanno lavorato per capire la connessione tra colibactina, un composto prodotto da alcuni ceppi di E. coli , e cancro del colon-retto, ma sono stati ostacolati dalla loro incapacità di isolare il composto.

Quindi Emily Balskus ha deciso invece di concentrarsi sul disordine che lascia dietro di sé.

Professore di Chimica e Biologia Chimica, Balskus e colleghi sono gli autori di un nuovo studio che cerca di capire come la colibactina causi il cancro identificando con precisione come la sostanza chimica reagisce con il DNA per creare addotti del DNA. Lo studio è descritto in un articolo del 15 febbraio pubblicato su Scienza .

"È noto dal 2006 che ci sono una serie di geni in alcuni batteri commensali intestinali, principalmente in ceppi di E. coli - che danno loro la capacità di creare molecole che possono portare a danni al DNA, " Balskus ha detto. "Nel corso degli anni, ci sono stati numerosi studi che hanno dimostrato una correlazione tra l'abbondanza di batteri che trasportano questa via e il cancro negli esseri umani, e più modelli murini di cancro del colon-retto associato alla colite hanno dimostrato che questo specifico insieme di geni ... può influenzare la progressione del tumore e l'invasività".

Sfortunatamente, il composto creato attraverso quel percorso, la colibactina, ha finora eluso gli sforzi per isolarlo, lasciando i ricercatori all'oscuro di come funziona.

"Il mio laboratorio ha iniziato a studiarlo, perché eravamo interessati a questo problema di come puoi capire una molecola che non puoi isolare, " ha detto Balskus. "E il riassunto del nostro lavoro precedente per capire la colibactina era che, inaspettatamente, noi e altri gruppi che hanno lavorato su questo percorso abbiamo scoperto che questo prodotto naturale contiene quello che viene chiamato un anello ciclopropano".

È quella struttura chimica che Balskus e colleghi credono che formi la "testata della colibactina", in parte perché strutture simili si trovano in altri, molecole non correlate in grado di causare danni diretti al DNA reagendo con esso.

"Quando ci siamo resi conto che, abbiamo ipotizzato che un'interazione diretta con il DNA possa essere importante per l'attività genotossica della colibactina, " ha detto Balskus. "Ciò ha illuminato una nuova strategia per ottenere informazioni sulla struttura della colibactina, invece di cercare di isolare la molecola stessa, potremmo isolare e caratterizzare gli addotti del DNA, o i prodotti della reazione con il DNA."

Isolando quegli addotti del DNA, però, non è un'impresa facile.

Per farlo, Balskus e il suo team si sono rivolti a Silvia Balbo, professore alla School of Public Health dell'Università del Minnesota, che ha sviluppato una nuova tecnica per identificare gli addotti del DNA in base a come si frammentano in uno spettrometro di massa ad alta risoluzione.

"Cosa abbiamo fatto, che ho pensato fosse un esperimento molto eccitante, era quello di prendere un ceppo di E. coli che potrebbe produrre colibactina e un ceppo mutante con lo stesso genotipo, tranne che non aveva il gruppo di geni che produce la colibactina, " ha detto Balskus. "Abbiamo incubato quei ceppi con linee cellulari umane ... e isolato il DNA da entrambi i gruppi di cellule, metterlo nello spettrometro di massa e confrontare l'abbondanza di diversi addotti di DNA nei campioni, così siamo stati in grado di trovare addotti del DNA che sono stati generati solo nelle cellule che sono state trattate con i batteri produttori di genotossina".

Armato di queste informazioni, Balskus ha detto, la loro prossima sfida era capire la struttura chimica di quegli addotti.

"Sembrava che provenissero dalla colibactina in base alla frammentazione nello spettrometro di massa, ma non basta per risolvere una struttura chimica, " Balskus ha detto. "Ciò che hanno fatto i ricercatori del mio laboratorio, ed è stato uno sforzo eroico, era quello di sintetizzare chimicamente uno standard... e poi lo abbiamo confrontato con gli addotti prodotti nelle cellule, ed erano uguali".

Per dimostrare che il processo era all'opera anche negli animali vivi, il team ha collaborato con Wendy Garrett all'Harvard T.H. Chan School of Public Health, condurre un esperimento in cui i topi privi di germi sono stati colonizzati con ceppi di E. coli che potrebbe e non potrebbe produrre colibactina.

"Abbiamo dimostrato di essere in grado di rilevare questi stessi addotti di DNA nel tessuto epiteliale del colon dei topi con i ceppi che producono colibactina, " ha detto Balskus. "Questo ci dice che tutta la chimica che noi e altri abbiamo fatto ex vivo potrebbe davvero essere rilevante per quello che sta succedendo in vivo".

Andando avanti, Balskus spera di indagare se quegli stessi addotti possono essere rilevati in campioni di pazienti, e comprendere i tipi specifici di danno al DNA causati dalla colibactina e se influenzano lo sviluppo del cancro.

E ora che i ricercatori hanno una buona conoscenza della struttura chimica degli addotti del DNA creati dalla colibactina, Balskus ha detto, possono essere in grado di lavorare a ritroso verso la molecola stessa.

"Gli addotti che abbiamo identificato provengono molto probabilmente dalla decomposizione di una specie più grande, " ha detto Balskus. "Quindi stiamo ancora cercando di risolvere questo mistero chimico e lavorando per capire quale potrebbe essere la struttura completa".

Alla fine, Balskus ha detto, i risultati suggeriscono anche che gli addotti del DNA potrebbero essere utilizzati come biomarcatore chiave per l'attività di composti come la colibactina e altri potenziali agenti cancerogeni derivati ​​dall'attività dei microbi intestinali.

"Fino a questo punto, quando le persone cercavano organismi in grado di produrre questi composti dannosi per il DNA, stavano cercando i geni biosintetici, " Balskus ha detto. "Questo ti dice del potenziale genetico, but it doesn't tell you that DNA damage has actually occurred, and we know from other areas of toxicology that if you have good biomarkers for predicting carcinogenesis, that can be powerful when thinking about assessing cancer risks.

"It's still very early, but that is one area where our work could potentially lead, " she continued. "It's still too early to know if colibactin plays a causal role in tumor development in humans, but we would like to have better ways of monitoring colon cancer susceptibility."