Le vite sociali segrete dei virus

Il genetista Rotem Sorek poteva vedere che i suoi batteri erano malati — finora, così bene. Li aveva deliberatamente infettati con un virus per verificare se ogni microbo malato soldato da solo o comunicato con i suoi alleati per combattere l’attacco.,

Ma quando lui e il suo team del Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israele, hanno esaminato il contenuto dei loro flaconi, hanno visto qualcosa di completamente inaspettato: i batteri erano silenziosi, ed erano i virus che chiacchieravano, passando note l’un l’altro in un linguaggio molecolare che solo loro potevano capire. Stavano decidendo insieme quando sdraiarsi nella cellula ospite e quando replicarsi e scoppiare, alla ricerca di nuove vittime.

È stata una scoperta accidentale che avrebbe cambiato radicalmente la comprensione degli scienziati di come si comportano i virus.,

I virus che infettano i batteri-spiky creature lecca-lecca-like noti come batteriofagi (o fagi) — hanno meccanismi di sorveglianza che portano loro informazioni su se rimanere dormienti o attacco, a seconda della disponibilità di vittime fresche. Ma i ricercatori hanno a lungo pensato che questi processi fossero passivi; i fagi sembravano semplicemente sedersi e ascoltare, aspettando che i segnali di soccorso batterici raggiungessero il passo della febbre prima di agire.

Sorek e i suoi colleghi avevano trovato fagi discutere attivamente le loro scelte., Si sono resi conto che quando un fago infetta una cellula, rilascia una minuscola proteina — un peptide lungo solo sei amminoacidi — che serve come messaggio ai suoi fratelli: “Ho preso una vittima”. Mentre i fagi infettano più cellule, il messaggio diventa più forte, segnalando che gli ospiti non infetti stanno diventando scarsi. I fagi quindi arrestano la lisi – il processo di replicazione e rottura dei loro ospiti — rimanendo invece nascosti in uno stato lento chiamato lisogenia1.

I virus, si scopre, non dipendevano da segnali batterici per prendere le loro decisioni. Controllavano il loro destino., ” Questa scoperta è stata un grande, importante, concetto rivoluzionario in virologia”, dice Wei Cheng, un microbiologo strutturale presso l’Università di Sichuan a Chengdu, in Cina.

Sorek chiamato questo peptide virale ‘arbitrium’, dopo la parola latina per decisione. Sembrava funzionare molto simile al sistema di comunicazione utilizzato dai batteri-quorum sensing-per condividere informazioni sulla densità cellulare e regolare la popolazione di conseguenza. Eppure era la prima volta che qualcuno aveva dimostrato messaggistica molecolare di questo tipo nei virus., E si inseriva in un quadro emergente di virus come agenti sociali molto più sofisticati di quanto gli scienziati avessero dato loro credito.

I virologi hanno studiato a lungo i loro soggetti in isolamento, prendendo di mira le cellule con una sola particella virale. Ma è diventato sempre più chiaro che molti virus cooperano, collaborando per co-infettare gli host e abbattere le difese immunitarie antivirali.

L’implicazione è che i ricercatori potrebbero aver sbagliato i loro esperimenti., ” Ha scosso uno dei pilastri della virologia”, dice Sam Díaz-Muñoz, un biologo evoluzionista presso l’Università della California, Davis.

Imparare la lingua dietro queste interazioni virali potrebbe informare la progettazione di nuovi trattamenti per il cancro e le superinfezioni brutte. Le predilezioni sociali dei virus aiutano anche a spiegare come eludono il sistema immunitario batterico noto come CRISPR. “Concettualmente, è davvero potente”, dice Díaz-Muñoz.,

Studi sociali

Gli scienziati hanno spiato per la prima volta i virus che si mescolano negli 1940, quando esperimenti separati del biofisico Max Delbrück e del batteriologo Alfred Hershey hanno dimostrato che due particelle virali potrebbero invadere simultaneamente la stessa cellula e scambiare i geni. Ma secondo Dale Kaiser, un genetista molecolare della Stanford University in California e un protetto di Delbrück, queste prime osservazioni erano davvero interessanti per gli scienziati solo come metodo sperimentale — hanno permesso ai ricercatori di creare un incrocio tra due ceppi virali. La rilevanza per la biologia di base è stata mancata.,

Non è stato fino al 1999 che qualcuno ha preso alcun avviso di ciò che la cooperazione ha raggiunto per i virus stessi. Quell’anno, i biologi evoluzionisti Paul Turner, ora alla Yale University di New Haven, Connecticut, e Lin Chao, ora all’Università della California, San Diego, mostrarono che i fagi giocano la loro versione del gioco di strategia del dilemma del prigioniero, lavorando in collaborazione in determinate circostanze e agendo nel proprio interesse personale negli altri2.,

Seguirono altri esempi di interazioni virali benefiche, comprese quelle che coinvolgevano i patogeni responsabili di malattie come epatite, poliomielite, morbillo e influenza. Spesso hanno avuto luogo tra diversi ceppi virali che avevano un interesse comune a incrementare le proprie possibilità riproduttive., Ma la base molecolare di quei tratti cooperativi — il metodo di comunicazione — era in gran parte rimasta sfuggente. E come sottolinea Rafael Sanjuán, genetista evolutivo dell’Università di Valencia in Spagna: “Il ‘come’ è davvero importante qui.”

Ecco perché l’arbitrium discovery è stato un grande passo avanti per il campo.,

Quasi immediatamente dopo che Sorek ha descritto per la prima volta il fenomeno, nel 2017, quattro gruppi indipendenti — tra cui quello di Cheng e uno guidato dal biologo strutturale Alberto Marina presso l’Istituto Biomedico di Valencia in Spagna — si sono messi al lavoro cercando di rivelare la base molecolare con cui i peptidi di arbitrio sono prodotti, percepiti e

Quei dettagli tecnici, riportati in cinque papers3–7 negli ultimi nove mesi, hanno contribuito a spiegare esattamente come i peptidi brevi Sorek scoperto influenzare il processo decisionale virale., Per Marina, tuttavia, questo è solo l’inizio della storia: sospetta che il sistema di comunicazione abbia probabilmente molte più funzioni.

Il sospetto di Marina si basa su una scoperta in uno di quei papers6. Lavorando con José Penadés, un microbiologo presso l’Università di Glasgow, Regno Unito, Marina ha dimostrato che il recettore per l’arbitrio nel fago può interfacciarsi non solo con i geni del batterio che aiutano il virus a riprodursi, ma anche con altri tratti di DNA non correlati. Ciò significa che la sua attività potrebbe non essere limitata alla decisione stay-or-go del virus., I ricercatori stanno ora esplorando se il linguaggio peptidico del fago altera anche l’attività dei geni chiave nella sua vittima. ” Se fosse vero”, dice Marina, ” questo renderebbe l’immagine molto più grande e più eccitante.”

Espandendosi sulla sua scoperta iniziale, Sorek ha trovato peptidi arbitrio spuntando ovunque. Il suo team ha ora trovato almeno 15 diversi tipi di fagi, ognuno dei quali può infettare i microbi del suolo e utilizzare una sorta di peptide breve per comunicare8. In particolare, dice Sorek, “ogni fago sembra parlare in una lingua diversa e capisce solo la propria”., Il chit-chat virale sembra quindi essersi evoluto per consentire la comunicazione solo tra parenti stretti.

I fagi possono parlare solo ai loro simili, ma possono anche ascoltare in altre lingue. La biologa molecolare Bonnie Bassler e il suo studente laureato Justin Silpe hanno scoperto che i virus possono utilizzare sostanze chimiche che percepiscono il quorum rilasciate dai batteri per determinare quando è meglio iniziare a moltiplicarsi e assassinare9. ” I fagi stanno intercettando e stanno dirottando le informazioni dell’host per i propri scopi — in questo caso, per uccidere l’host”, spiega Bassler.,

Questo snooping molecolare si verifica naturalmente nei fagi che infettano il batterio responsabile del colera, Vibrio cholerae. Ma nel loro laboratorio alla Princeton University nel New Jersey, Bassler e Silpe hanno ingegnerizzato fagi ‘spia’ in grado di percepire segnali unici per altri microbi, tra cui Escherichia coli e Salmonella typhimurium, e cancellarli. I virus in effetti sono diventati assassini programmabili che potrebbero essere fatti per uccidere qualsiasi batterio – a volontà e su richiesta.

Per il bene superiore

Qualche cooperazione virale sembra al limite dell’altruismo., Due gruppi indipendenti hanno riferito l’anno scorso che alcuni fagi agiscono disinteressatamente per superare le contromisure virali del batterio pseudomonas10,11.

I team — uno guidato dal biologo dei fagi Joe Bondy-Denomy presso l’Università della California, San Francisco, l’altro dall’esperto CRISPR Edze Westra e dal virologo Stineke van Houte presso l’Università di Exeter, Regno Unito — hanno osservato come i virus bombardassero i batteri con proteine specializzate progettate per abbattere le difese immunitarie basate su CRISPR delle cellule. La prima ondata di virus ha attaccato le cellule, uccidendosi ma indebolendo anche i batteri., Il bombardamento iniziale ha aperto la strada ad altri per conquistare il nemico microbico. ” Quei fagi dovevano essere lì, e morire, e produrre anti-CRISPR prima che un altro fago potesse arrivare e avere successo”, dice Bondy-Denomy.

Nel lavoro di follow-up, Westra e il suo postdoc Anne Chevallereau hanno dimostrato come i fagi privi di queste proteine anti-CRISPR possano sfruttare le offerte cooperative di altri che lo fanno12. Per Westra, ciò mostra le conseguenze potenzialmente di vasta portata dei comportamenti altruistici tra i virus. “Ci sono molte proprietà emergenti a livello di popolazione”, dice., “È molto importante tenere a mente l’ecologia di questi fagi.”

Questi esempi di comunicazione e cooperazione nei fagi sono probabilmente solo la punta della lancia sociale, dice Lanying Zeng, un biofisico del Texas A&M University Center for Phage Technology in College Station. “Questa è un’intera area inesplorata.” E lo stesso vale per i virus che infettano altri tipi di cellule — comprese le cellule animali e umane — che impiegano alcuni trucchi sociali propri.,

Prendere il virus della stomatite vescicolare (VSV), che infetta principalmente gli animali da allevamento, ma può causare una malattia simil-influenzale anche negli esseri umani. Le particelle di questo patogeno virale sopprimono l’immunità dell’ospite a un costo personale ma a beneficio del gruppo, come hanno dimostrato Sanjuán e i suoi colleghi13. Nessuno è ancora sicuro di come stia accadendo questa evasione cooperativa, ma il lavoro evidenzia quanto l’altruismo possa essere cruciale per il successo di VSV. Ciò potrebbe aiutare gli scienziati a battere il virus negli animali da allevamento e ottimizzarlo per l’uso in vaccini e terapie.,

Altri casi di azione collettiva sono diffusi tra i virus che causano malattie. Nel poliovirus, ad esempio, più ceppi virali geneticamente distinti possono raggrupparsi per scambiare i prodotti genici e migliorare il loro potenziale di uccisione delle cellule umane14. E due ceppi di influenza — uno che eccelle all’ingresso delle cellule, l’altro all’uscita delle cellule-crescono meglio se mantenuti in coltura cellulare insieme rispetto a quando tenuti a distanza15.

Ma in un ambiente reale, nei tamponi nasali di persone con influenza, i due ceppi virali non sembravano coesistere16., Jesse Bloom presso il Fred Hutchinson Cancer Research Center di Seattle, Washington, che ha guidato la ricerca, pensa che ha a che fare con alcune peculiarità della vita del virus influenzale — la sua dimensione della popolazione oscilla così selvaggiamente che le particelle cooperative hanno una sottile possibilità di attaccare insieme. Per i virus che non subiscono questo tipo di colli di bottiglia di trasmissione, “la cooperazione potrebbe essere più probabile che venga mantenuta in contesti reali”, afferma.

Questo è esattamente ciò che il microscopista Nihal Altan-Bonnet ha trovato quando ha studiato la trasmissione del rotavirus tra i cuccioli di topo., Le particelle di rotavirus possono viaggiare insieme tra le cellule in vescicole simili a bolle, condividendo risorse e nascondendosi dal sistema immunitario dell’ospite. E, Altan-Bonnet ei suoi colleghi hanno dimostrato, le particelle diventano più contagiose per i topi quando sono all’interno di questi cluster cooperativi rispetto a quando si va da solo17.

Molti altri virus patogeni — compresi quelli responsabili di Zika, epatite, varicella, norovirus e il comune raffreddore — sono ora noti per trasmettere se stessi attraverso queste vescicole, anche.,

“Questi virus sono molto subdolo,” dice Altan-Bonnet, che dirige il Laboratorio di Host-Patogeno Dynamics presso il National Heart, Lung, and Blood Institute degli Stati Uniti a Bethesda, Maryland. “E dobbiamo pensare a strategie che interrompano questa cooperatività e il clustering dei virus.”

Cioè, a meno che il potere distruttivo dei virus non possa essere usato per sempre., Diversi gruppi stanno testando i fagi come trattamento per le infezioni batteriche – e sapere di più su come conversano tra loro potrebbe aiutare a perfezionare tali terapie, che hanno una lunga storia in medicina ma stanno appena iniziando a essere manipolate per guadagno terapeutico.

Engage the fage

Il mese scorso, ad esempio, i ricercatori hanno descritto il primo uso clinico di successo di fagi geneticamente modificati per affrontare un’infezione batterica resistente ai farmaci18. Per infezioni come questa, ovviamente, la soluzione ideale è usare il virus per annientare completamente i batteri., Ma per le condizioni che sono caratterizzate da uno squilibrio microbico, come l’acne, alcuni tipi di cancro e malattie infiammatorie intestinali, potrebbe essere meglio distribuire un fago che può aiutare a ripristinare l’equilibrio senza un assalto a tutto campo.

E per quelle applicazioni più sottili, sapere esattamente come i virus comunicano “potrebbe essere davvero utile per aiutarci a progettare fagi che potrebbero essere utilizzati per il trattamento della malattia”, dice Karen Maxwell, un biologo dei fagi presso l’Università di Toronto in Canada. Attingere al sistema arbitrio potrebbe quindi portare a trattamenti più trattabili, o addirittura reversibili.,

Imparare a parlare virus potrebbe fornire un diverso tipo di beneficio terapeutico, anche. ” Questa potrebbe essere un’aggiunta al toolkit di biologia sintetica per aiutare a perfezionare l’espressione genica batterica ingegnerizzata”, afferma Christopher Alteri, microbiologo presso l’Università del Michigan a Dearborn.

Sorek, per esempio, ha preso i peptidi arbitrio dal loro habitat naturale nel fago e li collegato ad altri organismi, dove agiscono come interruttori dimmer che dial up o smorzare l’attività genica., In un lavoro inedito, lui e il suo studente laureato Zohar Erez inserito il macchinario arbitrium nel batterio Bacillus subtilis, permettendo loro di manipolare molti dei suoi geni a volontà. I microbi ingegnerizzati potrebbero un giorno essere utilizzati, ad esempio, per consegnare medicinali in dosi precise o in luoghi specifici.,

Cosa c’è di più, osserva Sorek, se i sistemi arbitrium-like risultano essere conservati in virus umani — patogeni come l’HIV e il virus herpes simplex che, come i fagi, trascorrono parti della loro vita nascondendosi nelle cellule — allora qualsiasi molecola di comunicazione che richiede la dormienza virale “diventa immediatamente una droga”.

Ogni progetto scientifico che persiste ottiene un ‘-ogy’, e lo studio dei virus socievoli non è diverso., Due anni fa, Díaz-Muñoz, Sanjuán e il biologo evoluzionista Stu West dell’Università di Oxford, Regno unito19, hanno coniato un nuovo termine — sociovirologia — per fornire un quadro per la loro linea di ricerca. L’American Society for Microbiology ospiterà il primo workshop dedicato all’argomento nella sua riunione annuale di questo mese a San Francisco. ” È un’idea il cui momento è arrivato”, dice Díaz-Muñoz.,

In sociovirologia, vede molti paralleli con la graduale accettazione di comportamenti di gruppo simili tra i batteri negli anni passati: non è stato fino a quando i ricercatori hanno individuato le sostanze chimiche coinvolte nel quorum sensing e hanno dato un nome al processo che la maggior parte dei microbiologi ha prestato attenzione al fenomeno.

“Non è nella coscienza”, dice Díaz-Muñoz. Ma come con tutte le cose sociali e virali, il messaggio si sta diffondendo.