16 Agosto 2006
La Jolla, CA – In tempi di abbondanza, la muffa melmosa unicellulare Dictyostelium discoideum conduce una vita solitaria, nutrendosi di batteri disseminati sul suolo della foresta. Ma queste semplici creature possono compiere atti di sviluppo eroici: quando la riserva di cibo batterico si esaurisce, Dictyostelio Le amebe si uniscono ai loro vicini e formano una torre multicellulare progettata per salvare i bambini.
Quando le riserve di cibo si esauriscono, le cellule solitarie di Dictyostelium discoideum si aggregano e si fondono in una torre che produce spore. Un enzima ibrido di recente scoperta chiamato Steely2 (mostrato in forma di fumetto) forgia la struttura di base del segnale chimico (DIF-1, mostrato qui come modello a bastoncino) che orchestra questo passaggio vitale nel ciclo vitale di Dictyostelium: la trasformazione di cellule onnipotenti in spore dedicate o cellule staminali. (Immagine di Mike Austin, basata su una foto di Rob Kay.)
In uno studio di prossima pubblicazione Biologia chimica della natura, I ricercatori del Salk Institute for Biological Studies e del Medical Research Council of Molecular Biology (MRC) di Cambridge, in Inghilterra, utilizzano metodi tradizionali e basati sul computer per dimostrare come Dictyostelio sintetizza il segnale chimico chiamato DIF-1, abbreviazione di Differentiation Inducing Factor, necessario per questa trasformazione evolutiva.
La collaborazione, spiega l'autore co-senior Joe Noel, Ph.D, ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute di Salk, "mostra la potenza di un approccio combinato che coinvolge bioinformatica, enzimologia, biologia strutturale e genetica per arrivare al nocciolo del motivo per cui gli organismi sfruttano le sostanze chimiche naturali per sopravvivere e prosperare in ecosistemi difficili".
Quando le muffe melmose muoiono di fame, formano collettivamente una creatura multicellulare simile a una lumaca che si sposta in massa verso un luogo caldo. Lì, in risposta al segnale DIF-1, le lumache si alzano letteralmente in piedi e le loro cellule si trasformano in una colonna di cellule staminali o in cellule sporali di nuova generazione, che si appollaiano in cima alla colonna in attesa che le scorte di cibo vengano ripristinate.
Noel e Michael Austin, Ph.D., borsista post-dottorato nel laboratorio di Noel e co-autore principale dello studio, nutrono un interesse costante nella biosintesi di diversi polichetidi vegetali e microbici mediante enzimi noti come PKS di tipo III. Le piante producono prodotti naturali polichetidici come flavonoidi e stilbeni, utilizzati come filtri solari, antibiotici, pigmenti floreali e antiossidanti. Austin spiega: "È sempre più riconosciuto che i polichetidi vegetali hanno benefici significativi nella dieta umana, come componenti salutari del tè verde, del vino rosso e della soia".
A quanto pare, DIF-1 appartiene alla stessa cerchia. "Mentre leggevamo un articolo di revisione sulla diversità dei polichetidi naturali, ci siamo resi conto che la struttura chimica principale di DIF-1, un importante segnale di sviluppo in Dictyostelio, è simile ai prodotti naturali realizzati con PKS di tipo III vegetale", ricorda Austin.
Al momento, Dictyostelio era nel bel mezzo del sequenziamento del suo genoma, e i frammenti di dati grezzi del sequenziamento del DNA venivano depositati in database accessibili al pubblico. Austin ha ricordato: "Una notte ho eseguito una ricerca bioinformatica per cercare prove genetiche che suggerissero l'esistenza di una PKS di tipo III in Dictyostelio.” Utilizzo di vari programmi per computer per trovare, assemblare e tradurre in silico Dopo aver scomposto i frammenti grezzi del DNA rilevante prima nei geni e poi nelle proteine codificate da questi geni, Austin ha ricostruito due sequenze geniche di tipo III simili a PKS e ha anche scoperto una sorpresa.
Inaspettatamente, questi modelli genetici dedotti per i PKS di tipo III hanno rivelato ciascuno Dictyostelio PKS di tipo III da fondere con altri domini proteici enzimaticamente attivi. Questa disposizione ibrida mai vista prima funziona come una brigata di secchi molto efficiente che sintetizza molecole di polichetidi nelle cellule di muffe melmose.
"La natura ha aperto la strada allo sfruttamento di questa nuova disposizione di domini per progettare metodi più efficienti di produzione di polichetidi modificati per uso umano", ha affermato Austin.
Spostandosi verso il banco, Austin e la responsabile del laboratorio Noel, Marianne Bowman, sono isolati Dictyostelio Il DNA codificante per i domini PKS di tipo III non solo ne ha determinato la struttura, che in effetti assomigliava a quella di una PKS vegetale, ma ha anche dimostrato che uno di essi, chiamato Steely2, creava l'impalcatura chimica del DIF-1 in provetta. Restava solo da dimostrare che le muffe melmose stesse utilizzavano l'enzima appena scoperto per produrre DIF-1.
Per questo Noel e Austin si sono rivolti al co-autore senior Robert Kay, Ph.D., un Dictyostelio Esperto di differenziazione cellulare e responsabile di gruppo presso l'MRC. "Abbiamo scritto un articolo e ne abbiamo inviato una versione a Rob Kay, dicendogli: 'Non ci conosci, ma ecco cosa facciamo. Dal punto di vista biochimico abbiamo identificato il meccanismo che produce il precursore essenziale per la molecola bioattiva DIF-1'".
Kay ha risposto che lui e il co-autore principale Tamao Saito, PhD., uno scienziato in anno sabbatico nel suo laboratorio, si erano concentrati anche su questi insoliti geni PKS di tipo III dopo l'assemblaggio finale e l'annotazione recentemente completati dell'intero Dictyostelio genoma, che è stato realizzato grazie a una collaborazione mondiale di molti scienziati, tra cui il gruppo Kay.
Lavorando indipendentemente, Saito e Kay avevano cancellato il Dictyostelio gene per Steely2. Non solo le muffe melmose "carenti" risultanti non potevano produrre DIF-1, ma non potevano nemmeno costruire la torre di salvataggio, che era esattamente la conferma biologica che il laboratorio Noel voleva sentire. I due laboratori hanno messo insieme i dati e ora pubblicano il loro lavoro come un'unica storia completa, continuando a collaborare sulla diversità chimica riscontrata in questo affascinante organismo che striscia sul suolo della foresta.
Noel, professore presso il Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics del Salk Institute, afferma: "Questo è un meraviglioso esempio di come gli ego vengano messi da parte su chi ha fatto cosa e, invece, come comunità scientifica, i gruppi si uniscano per affrontare una questione fondamentale della biologia. Nel processo, abbiamo scoperto collettivamente un'efficiente fabbrica chimica in Dicitostelio cellule che ci informano su come modificare sistemi simili utilizzati in altri organismi per produrre importanti medicinali dalla natura."
Per Noel il problema è comprendere la biocomplessità a un livello tradizionalmente ignorato: la pletora di sostanze chimiche naturali presenti in natura. Gli organismi usano le sostanze chimiche come mezzo per interagire con l'ambiente circostante e l'umanità ha sfruttato questo fatto per scoprire la stragrande maggioranza dei farmaci utilizzati oggi per curare le malattie. "La domanda fondamentale nel nostro caso è perché gli organismi producono sostanze chimiche, quale ruolo svolgono queste molecole in natura e come il meccanismo cellulare utilizzato per produrle si è evoluto nel corso di milioni di anni per fornire nuovi modi agli organismi ospiti di sopravvivere e prosperare. Comprendere la diversità delle sostanze chimiche naturali e il meccanismo che le produce ci offre una finestra per guardare indietro nel tempo e comprendere come gli organismi si evolvono a livello molecolare".
Hanno contribuito allo studio anche il dott. Steven Haydock, che ha lavorato con Kay, Atsushi Kato, che insieme a Saito ora lavora all'Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, e il dott. Bradley Moore, dello Scripps Institute of Oceanography,
Il Salk Institute for Biological Studies di La Jolla, in California, è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro dedicata alle scoperte fondamentali nelle scienze della vita, al miglioramento della salute umana e alla formazione delle future generazioni di ricercatori. Il Dott. Jonas Salk, il cui vaccino contro la poliomielite ha praticamente debellato la malattia invalidante poliomielite nel 1955, ha inaugurato l'istituto nel 1965 grazie alla donazione di un terreno da parte della città di San Diego e al sostegno finanziario della March of Dimes.
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