I batteri che causano la malattia intestinale da shigella utilizzano una tossina che sfrutta una forza fisica nella membrana delle cellule. Sebbene difficile da bloccare, è possibile combattere con le nanoparticelle sfruttando la stessa forza.

Un numero enorme di malattie è il risultato di infezioni batteriche e virali. Questi agenti patogeni entrano nelle cellule del corpo attraverso diverse vie. Un nuovo studio condotto congiuntamente dall'EPFL riporta ora la scoperta di una via di infezione precedentemente sconosciuta utilizzata dai batteri che causano la shigellosi, una malattia infettiva intestinale caratterizzata da diarrea sanguinolenta. Nel meccanismo appena scoperto, il batterio Shigella sfrutta una forza generica creata dalle fluttuazioni della membrana plasmatica della cellula. L'opera è pubblicata in ACS Nano .

Lo studio è stato condotto da John Ipsen dell'Università della Danimarca meridionale, Ludger Johannes all'Institut Curie in Francia e Julian Shillcock all'EPFL.

Normalmente, le cellule regolano molto strettamente l'ingresso di materiale estraneo, per prevenire le invasioni di agenti patogeni come batteri e virus. Di conseguenza, gli invasori hanno evoluto vari meccanismi per superare le barriere e ottenere l'ingresso nelle cellule.

Per esempio, un percorso prevede il dirottamento del macchinario stesso della cellula e l'inganno per interiorizzare il virus o il batterio all'interno di una vescicola prodotta dalla cellula stessa. Questo processo, che è uno dei modi regolari in cui le cellule assorbono grandi molecole, si chiama "endocitosi".

Gli scienziati hanno utilizzato vari sistemi di vescicole e simulazioni al computer per studiare un meccanismo di invasione batterica che sembra avere alcune proprietà uniche. Il meccanismo è utilizzato, tra gli altri, dai batteri che causano la shigella e che producono un piccolo, proteina rigida chiamata tossina Shiga.

Lo studio ha scoperto che le particelle di tossina Shiga si legano strettamente a determinati lipidi, o grassi, sulla superficie della membrana della cellula da invadere. Quindi iniziano a formare grappoli sulla membrana, che fanno curvare la membrana verso l'interno, creando invaginazioni a forma di tubo, attraverso il quale le particelle di tossina entrano nella cellula. Una volta dentro, le tossine Shiga modificano il meccanismo genetico della cellula, e l'infezione è iniziata.

Ma la scoperta principale è stata che la tossina sfrutta effettivamente un generico, forza fisica nella membrana cellulare per produrre le invaginazioni. Questa è chiamata la "forza di Casimir" ed è stata descritta per la prima volta come una forza teorica che agisce tra due cariche, parallelo, superfici conduttrici.

In termini di biologia, si pensa che la forza di Casimir agisca tra le proteine ​​​​di membrana nelle cellule, esistenti su tutte le membrane cellulari biologiche fluide e che si manifestano solo quando l'agente patogeno si lega strettamente alla superficie della membrana.

I ricercatori propongono che i batteri Shigella, e altri agenti patogeni, si sono evoluti per sfruttare la forza di Casimir derivante dalla fluttuazione della membrana plasmatica per infettare le cellule. Inoltre, perché i grassi a cui si lega la tossina vengono utilizzati dalla cellula per le proprie operazioni, non si può impedire alla tossina Shiga di entrare senza disabilitare o modificare le normali funzioni della cellula.

Nanoparticelle per la somministrazione di farmaci

Ma poiché si pensa che la forza di Casimir si presenti per qualsiasi nanoparticella strettamente legata sulla superficie della membrana cellulare, c'è il potenziale per produrre un romanzo, percorso basato su nanoparticelle per la somministrazione di farmaci. Primo, dovremmo legare strettamente le nanoparticelle alla superficie della cellula dove si accumuleranno. Secondo, le nanoparticelle devono anche aumentare leggermente la curvatura della membrana cellulare per sfruttare la forza di Casimir e ottenere l'ingresso nella cellula. Una volta dentro, possono iniziare a fare bene, cambiamenti difensivi nel comportamento della cellula.

"Dove la natura ha portato a escogitare un mezzo per consentire agli agenti patogeni di infettare le cellule, le nanoparticelle fabbricate possono seguire per trattare la disfunzione cellulare, "dice Julian Shillcock.