Le potenzialità dell'enzima Cas9

Antibiotici convenzionali sono indiscriminati su ciò che uccidono, caratteristica che può portare a complicazioni per i pazienti e può contribuire ai crescenti problemi di resistenza agli antibiotici. L'antibiotico 'programmabile' sarebbe selettivamente capace di colpire solo i cattivi soggetti microbici, in particolare quelli che ospitano geni resistenti agli antibiotici, e lasciare solo microbi benefici.

Coltura di batteri

La  moltitudine di microbi che gli scienziati hanno trovato nel corpo umano sono buoni, cattivi e per lo più hanno misteriose implicazioni per la nostra salute. Ma quando qualcosa va storto, ci difendiamo con la forza bruta indiscriminata degli antibiotici tradizionali, che spazzano via tutto in una volta, senza badare alle conseguenze.

I ricercatori della Rockefeller University  stanno lavorando su un antibiotico più intelligente descrivendo una tecnica per l’ antibiotico 'programmabile' che colpisce selettivamente i cattivi soggetti, in particolare quelli che ospitano geni resistenti agli antibiotici, lasciando gli altri, solamente cioè, i microbi più innocenti .

"In esperimenti, siamo riusciti a istruire, -dice  Luciano Marraffini, responsabile del Laboratorio di Batteriologia- un enzima batterico, noto come Cas9, di indirizzarsi verso una particolare sequenza di DNA che poi viene tagliata. Questo approccio selettivo lascia la comunità microbica sana intatta, e  questi esperimenti suggeriscono che in tal modo si può tenere sotto controllo la resistenza e quindi prevenire alcuni tipi di infezioni secondarie, eliminando due gravi pericoli associati al trattamento con gli antibiotici classici."

Il nuovo approccio potrebbe, per esempio, ridurre il rischio di C. diff , una grave infezione del colon, causata dal Clostridium difficile batterio, che è associato a ricorsi prolungati di cure con duri antibiotici ed è una crescente preoccupazione per la salute pubblica.

L'enzima Cas9 è parte di un sistema di difesa che i batteri usano per proteggersi dai virus. Il team ha cooptato una versione batterica di un sistema immunitario, noto come CRISPR (cluster brevi ripetizioni palindromi regolarmente intervallati) sistema e lo ha trasformato per essere efficace contro alcuni dei microbi. Sistemi CRISPR contengono sequenze genetiche uniche, chiamati distanziatori, che corrispondono a sequenze di virus. Enzimi CRISPR-associati, tra cui Cas9, usano queste sequenze distanziatori come guida per identificare e distruggere gli invasori virali.

I ricercatori hanno diretto Cas9 a bersagli di loro scelta da sequenze di ingegneria distanziatori per abbinare geni batterici ,per poi inserire queste sequenze in una cellula insieme con il gene Cas9. Un proprio meccanismo della cellula si trasforma poi nel sistema. A seconda della posizione del bersaglio in una cellula batterica, Cas9 può uccidere la cellula o può sradicare il gene bersaglio. In alcuni casi, hanno trovato che un trattamento può impedire ad una cellula di acquisire resistenza.

"E’ stato dimostrato che se Cas9 è programmato con un obiettivo da un genoma batterico, ucciderà i batteri. Basandosi su questo lavoro, -dice David Bikard, ex postdoc Rockefeller, ora all'Istituto Pasteur di Parigi- abbiamo selezionato le sequenze di guida che hanno permesso di uccidere selettivamente un particolare ceppo di microbi all'interno di una popolazione mista.

Negli esperimenti iniziali, è stato preso di mira un ceppo della pelle comune e batteri respiratori Staphylococcus aureus resistente all’antibiotico kanamicina. Trattamento da Cas9 programmato indirizzato su una parte del gene di resistenza ha ucciso la maggior parte di stafilococchi resistenti, ma lasciò gli stafilococchi sensibili alla kanamicina .

Il genocidio batterico mirato è una sola opzione. I batteri condividono geni, compresi quelli che conferiscono resistenza ai farmaci, in forma di anelli di DNA conosciuti come plasmidi. In una seconda serie di esperimenti, i ricercatori attivarono Cas9 su plasmidi che ospitavano la resistenza alla tetraciclina in un ceppo di batteri resistenti, multidrug potenzialmente mortali di Staphylococcus aureus (MRSA). Non solo le cellule resistenti diventano sensibili alla tetraciclina dopo che Cas9 distrugge i plasmidi, ma l'arrivo di Cas9 in altre cellule di stafilococchi  ha agito come un immunizzazione, impedendo loro di assumere plasmidi portatori di resistenza.

Nella serie finale di esperimenti, in collaborazione con il Laboratorio di Vincent Fischetti di Patogenesi e Immunologia batterica, Ciad Euler ha confermato questi risultati in provetta sulla pelle viva, utilizzando Cas9 per uccidere selettivamente Staphylococcus resistenti alla kanamicina che  infettavano le spalle rasate di topi.

Nonostante i promettenti risultati, il sistema di erogazione deve essere migliorato. I ricercatori hanno utilizzato i batteri-virus infettanti per iniettare gli enzimi programmati Cas9 nelle cellule batteriche, ma questi virus attaccano solo specifici tipi di cellule. “Gli scienziati hanno bisogno -dice Marraffini - di escogitare un metodo meno discriminante di consegna, prima che la tecnologia possa essere utilizzata per sviluppare una nuova classe di antibiotici”.

Oltre al suo potenziale come nuova arma tanto necessaria contro i microbi resistenti ai farmaci, il nuovo sistema potrebbe essere utilizzato anche per avanzare la ricerca sulle complesse popolazioni di microbi nel corpo, di cui si sa molto poco. "Ci sono enormi comunità microbiche del corpo umano", dice Marraffini. Con gli enzimi Cas9 programmabili diventa possibile analizzare queste popolazioni, eliminando i loro membri, uno per uno, e studiandone gli effetti."