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Decifrato il linguaggio dei linfociti T, la stele di Rosetta del sistema immunitario

25 gennaio 2015 Nessun commento  

Come può il nostro sistema immunitario difenderci da aggressori così diversi tra loro come virus, parassiti, funghi e tumori? Il segreto sta nel grande numero di cloni di linfociti T e B, ciascuno dei quali esprime un particolare recettore specifico. Fino a pochi anni fa, decifrare la complessità di questo immenso repertorio era considerata un’operazione impossibile.

L’analisi della specificità e funzione dei linfociti T combinata con i nuovi strumenti di sequenziamento del DNA di nuova generazione rappresentano una stele di Rosetta moderna che permette di decifrare la risposta immunitaria dell’uomo contro patogeni e vaccini.

Mancava una “stele di Rosetta”, ovvero una chiave di decodifica per “tradurre” e capire questo “linguaggio” in tutta la sua complessità. Oggi, grazie allo sviluppo di strumenti di sequenziamento del DNA di nuova generazione (next generation sequencing, NGS) è possibile ottenere rapidamente milioni di sequenze che rappresentano la carta d’identità dei linfociti T. Ma come si può risalire da questi dati alla specificità dei singoli cloni di linfociti e come possiamo capire la loro funzione?

La scoperta

A questa domanda ha dato risposta uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Science e condotto da un gruppo di ricercatori diretti da Federica Sallusto dell’Istituto di Ricerca in Biomedicina di Bellinzona (Università della Svizzera Italiana). Lo studio descrive un nuovo approccio che permette di decifrare il linguaggio dei linfociti T, le cellule del sistema immunitario che ci proteggono da patogeni e tumori. Combinando metodiche di next generation sequencing con la stimolazione in vitro e l’analisi delle cellule specifiche, i ricercatori sono riusciti, per la prima volta, a stabilire un catalogo completo della risposta immunitaria a patogeni e vaccini. In particolare hanno catalogato tutti i cloni che rispondono a un particolare microrganismo, determinandone la specificità e le proprietà funzionali, ad esempio la capacità di produrre mediatori dell’infiammazione (citochine) o di migrare in diversi tessuti.

I risultati delle ricerche sono sorprendenti sotto diversi punti di vista. Innanzitutto, il repertorio di linfociti T specifici è molto vasto e comprende migliaia di cloni, ciascuno caratterizzato da un diverso recettore. Un secondo risultato, del tutto inaspettato, è che all’interno dello stesso clone le cellule possono specializzarsi a svolgere diverse funzioni e a migrare in diversi tessuti.

La risposta immunitaria dell’uomo contro patogeni e vaccini comprende migliaia di cloni di linfociti T di diversa grandezza, ciascuno con una propria carta d’identità, che può essere “decifrata” combinando l’analisi della specificità e funzione con i nuovi strumenti di sequenziamento del DNA di nuova generazione.

Secondo Federica Sallusto, “usando questo nuovo approccio possiamo decifrare rapidamente il linguaggio dei linfociti T, cioè la loro identità, specificità e funzione, e possiamo farlo per le migliaia di cloni che mediano la risposta immunitaria a batteri e vaccini. In questo modo abbiamo scoperto che quando un linfocita T riconosce un patogeno e prolifera per debellarlo, le cellule figlie possono andare incontro a destini diversi, ad esempio acquisire la capacità di produrre diversi tipi di citochine o di migrare in diversi tessuti dell’organismo. Questa estrema flessibilità dei linfociti T umani rappresenta un elemento nuovo che spiega come il sistema immunitario sia in grado di reagire agli attacchi con differenti armi e su più fronti”.

La ricerca è stata sostenuta dal Fondo Nazionale Svizzero, dal Consiglio europeo per la ricerca scientifica (ERC), e dalla Comunità Europea.

L’Istituto di Ricerca in Biomedicina di Bellinzona

L’Istituto di Ricerca in Biomedicina (IRB), fondato nel 2000 a Bellinzona, è stato affiliato all’Università della Svizzera italiana (USI) nel 2010. Finanziato da istituzioni private e pubbliche e da finanziamenti a concorso, attualmente l’IRB conta nove gruppi di ricerca e 90 100 ricercatori. La ricerca è focalizzata sulle difese dell’organismo umano contro le infezioni, i tumori e le malattie degenerative. Con oltre 370 410 pubblicazioni nelle principali riviste scientifiche, l’IRB rappresenta un centro di eccellenza per l’immunologia. www.irb.usi.ch

Dati dell’articolo

Becattini, S., D. Latorre, F. Mele, M. Foglierini, C. De Gregorio, A. Cassotta, B. Fernandez, S. Kelderman, T.N. Schumacher, D. Corti, A. Lanzavecchia, and F. Sallusto. 2014. Functional heterogeneity of human memory CD4+ T cell clones primed by pathogens or vaccines. Science. 1260668. doi:10.1126/science.1260668.

Fonte: IRB.usi.ch
Elaborazione grafica: Antonino Cassotta e Mathilde Foglierini.

La replicazione dei batteri magnetotattici: dividere le bussole

21 dicembre 2011 Nessun commento  

I batteri magnetotattici sono una particolare classe di microrganismi descritti per la prima volta da Richard Blakemore negli anni 70, dotati della particolare caratteristica di orientarsi lungo le linee del campo magnetico terrestre.

Tali proprietà di risposta al magnetismo probabilmente aiutano i batteri marini che vivono in condizioni di scarsità di ossigeno a navigare nell’acqua e nei sedimenti e ad “orientarsi” in un ambiente in cui i livelli di nutrienti essenziali come ossideno e solfuri cambiano drasticamente con la profondità, come afferma Dirk Schüler, microbiologo alla Ludwig–Maximilians University di Monaco.

Le bussole di tali batteri sono costituite da piccoli organelli chiamati magnetosomi, che contengono cristalli di magnetite (Fe3O4), greigite (Fe3S4) ed altri minerali magnetici: il campo magnetico prodotto da un singolo magnetosoma non è però sufficientemente forte ad orientare il microbo al campo terrestre, perciò tali organelli si uniscono assieme in una catena per poter costituire un magnete più forte.

Il problema subentra nel momento in cui le cellule si replicano: normalmente i batteri si dividono tramite un iniziale accrescimento longitudinale, e sintetizzano quindi nuova parete cellulare nel versante interno della zona centrale, il cosiddetto solco di divisione, che accrescendosi si inabissa sempre più nel citoplasma, chiudendosi come un cappio, sino a quando i lembi della parete neosintetizzata non si congiungono e i due nuovi batteri si staccano. La forza generata dal solco di divisione non è però da sola sufficiente, dice Schüler, a “staccare” le catene di magnetosomi che si attraggono come calamite.

Dunque i batteri magnetotattici presentano un duplice problema in fase di replicazione: riuscire a vincere le forze magnetiche interne che tendono a non far separare le due future cellule figlie, e al tempo stesso riuscire a ripartire equamente gli organelli magnetici per trasferire il vantaggio selettivo della sensibilità magnetica ad entrambe le nuove cellule.

L'angolazione assunta dalle due future cellule figlie indebolisce le resistenze magnetiche interne. In rosso sono riportate le catene di magnetosomi.

Usando tecniche di microscopia ottica ed elettronica, il team di Schüler ha seguito in tempo reale la divisione in due cellule figlie del batterio  Magnetospirillum gryphiswaldense, paradigma della classe dei batteri magnetotattici. Inizialmente il processo di divisione ha seguito la classica scaletta della scissione batterica: dopo la replicazione del genoma, la cellula ha iniziato ad allungarsi e quindi ad assottigliarsi progressivamente nella zona centrale.

A questo punto inizia la novità: infatti i magnetosomi iniziano a migrare verso il centro e si accumulano a livello del solco di scissione tramite l’interazione con proteine citoscheletriche actin-like; quindi le due future cellule figlie assumono un’angolazione l’una rispetto all’altra di circa 50 gradi, e infine si separano rapidamente. L’evidente “piega” che la cellula in divisione assume sembra dovuta al fatto che il solco di divisione si accresce (verso l’interno della cellula) in maniera asimmetrica, che ha come risultato uno sbilanciamento di forze su uno dei due versanti, portando i due “semicilindri” che costituiscono le cellule figlie ad inclinarsi tra loro.

Perchè fare tutta questa fatica per separare le due cellule figlie? Semplicemente perchè imprimendo una deviazione di questo tipo è possibile indebolire le forze magnetiche tra i magnetosomi accumulati sotto il solco di scissione, e quindi ripartire equamente tra le due nuove cellule i preziosi organelli.

L’energia necessaria per staccare le catene di magnetosomi, imprimendo una piegatura di questo tipo, è dell’ordine dei 10 piconewtons, ovvero equivalente alla forza normalmente generata durante la scissione binaria batterica

dice Schüler. Dunque  M. gryphiswaldense non fa altro che utilizzare la normale energia richiesta per la scissione, semplicemente ottimizzando la “geometria” della divisione per riuscire a battere le sue resistenze magnetiche interne.

Fonte: Molecular Microbiology

Categorie:Biologia

I batteri possiedono un sistema immunitario acquisito

24 ottobre 2010 1 commento  
Si tratta probabilmente di una delle scoperte più importanti degli ultimi dieci anni, nell’ambito della biologia molecolare.

Un nuovo studio della Rice University ha determinato un modello matematico per descrivere un sistema di immunità acquisita all’interno di batteri, capace di contrastare l’infezione di batteriofagi.

I batteriofagi sono virus che attaccano specificatamente i batteri, il loro meccanismo d’azione si basa sull’iniezione del loro genoma all’interno dell’ospite, allo scopo di riprodursi sfruttando il suo macchinario molecolare. Sembra che i batteri, però, abbiano sviluppato un sistema per immunizzarsi da alcune di queste potenziali minacce.

Ipotetico meccanismo d'azione di CRISPR

La ricerca si è concentrata sulla regione CRISPR (“clustered regularly interspaced short palindromic repeats”) del DNA batterico. Essa è composta da due tipi di sequenze: la prima, che da il nome alla regione e che inizialmente aveva catalizzato l’interesse scientifico, contiene brevi ripetizioni; nella seconda, inizialmente identificata come DNA spaziatore fra le ripetizioni, sono contenute sequenze genetiche specifiche dei fagi.

Quando una sequenza di un fago si trova nella regione CRISPR, il batterio è immunizzato dall’infezione di quel fago, in quanto diviene in grado di riconoscere e degradare il genoma virale, in maniera analoga al processo di RNA interference (RNAi) degli organismi eucariotici.

“Da una prospettiva puramente scientifica, questa ricerca ci insegna cose che non si sarebbe nemmeno potuto immaginare solo pochi anni fa, ma c’è anche un interesse applicativo in questo lavoro”, afferma Micheal Deem, professore di Biochimica, Ingegneria Genetica, Fisica e Astronomia alla Rice University.

In sostanza, la CRISPR agisce immagazzinando un insieme di frammenti dei genomi di quei virus che attaccano il batterio, immagazzinamento che avviene mediante opportuni complessi proteici che agiscono una volta entrati a contatto con materiale genetico esogeno. Quindi essa risulta essere ereditabile, quando il batterio si divide, ma anche programmabile durante la vita dell’organismo. Il CRISPR può contenere da trenta a cinquanta diversi frammenti, che implicano la resistenza nei confronti di altrettanti tipi di fago.

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Categorie:Biologia

Dentifrici con triclosan meglio di quelli al fluoro

13 aprile 2010 1 commento  
Dentifrici a base di triclosan/copolimero hanno una maggiore abilità nell’uccidere i tipi di batteri che vivono nella bocca rispetto ai comuni dentifrici al fluoro

La nostra bocca ospita da 800 a 1000 tipi diversi di batteri: l’ambiente caldo e umido, con superfici dentali dure e tessuti molli, risultano essere ottimi fattori che stimolano la crescita di germi.

Molti di questi batteri sono nocivi e possono formare un biofilm (una pellicola di microrganismi) sui denti che prende il nome di “placca dentale“, che causa carie, gengiviti o disturbi alle gengive ancora peggiori (come le paradontiti).

Il triclosano, derivato clorurato del fenolo

Secondo uno studio pubblicato nel numero di gennaio/febbraio 2010 di General Dentistry (giornale clinico peer-reviewed della Academy of General DentistryAGD), dentifrici a base di triclosan/copolimero hanno una maggiore abilità nell’uccidere i tipi di batteri che vivono nella bocca rispetto ai comuni dentifrici al fluoro.

“I produttori aggiungono specifici agenti ai dentifrici per fornire ulteriori benefici ai consumatori” dice Joseph J. Zambon, professore universitario alla Buffalo School of Dental Medicine, e uno degli autori dello studio. “L’agente più conosciuto è il fluoro, che è aggiunto ai dentifrici per prevenire le carie. E’ stato dimostrato in numerosi studi clinici che l’aggiunta di triclosano inibisce la formazione della placca e lo sviluppo di gengiviti. Il copolimero aiuta invece a mantenere il triclosan nella bocca per un maggiore periodo di tempo (attraverso un rilascio lento e graduale), cosa che aumenta la sua capacità di combattere i batteri orali”

Il dentifricio a base di triclosan/copolimero e due diversi a base di fluoro sono stati messi a confronto in test su diversi tipi di batteri cresciuti in laboratorio, che imitano il comportamento dei germi trovati nella bocca; inoltre sono stati fatti test anche su batteri prelevati direttamente dalla bocca di volontari umani.

“Ripetuti test hanno mostrato che il dentifricio con triclosan/copolimero supera quelli contenenti solo fluoro nella capacità di inibire la crescita batterica“, dice il Dr. Zambon.

Assieme al lavaggio dei denti due volte al giorno, la AGD consiglia l’uso quotidiano del filo interdentale e di colluttorio per ridurre la placca dentale ed uccidere i germi in bocca.

“L’importanza di uccidere i batteri orali è legata al fatto che se si riesce a mantenere la bocca relativamente pulita, si può minimizzare il rischio di carie e malattie gengivali, così come la sgradevolezza dell’alito cattivo” conclude Paul Bussman, portavoce della AGD.

Fonte: EurekAlert!

Categorie:Medicina e salute

Le colonie batteriche combattono per le risorse con proteine letali

24 marzo 2010 Nessun commento  
Colonie rivali di batteri possono produrre sostanze chimiche letali che mantengono lontani i competitori.

Secondo quanto riportato da alcuni scienziati dell’ UC San Diego – University of Texas e della Tel Aviv University, quando colonie “rivali” si fanno troppo vicine, i batteri di una colonia producono sostanze che bloccano la crescita e/o uccidono alcune delle cellule delle colonie circostanti che cercano di “invaderla” (attraverso la loro normale crescita di tipo esponenziale), potendo così proteggere le scarse risorse disponibili necessarie alla sopravvivenza.

“Ciò supporta l’idea che ogni colonia possa essere considerata come un superorganismo, che ricorda gli organismi pluricellulari, e che possiede una sua propria identità” dice Eshel Ben-Jacob, professore di fisica alla Tel Aviv University e ricercatore associato al Center for Theoretical Biological Physics del UC San Diego.

Due colonie giunte troppo vicine creano una "terra di nessuno" tossica che le separa

La ricerca, il cui autore principale è stato Avraham Be’er della università del Texas, è stata pubblicata nell’ edizione online di Proceedings of the National Academy of Sciences di questa settimana. 

Se cresciuta da sola in una piastra, una colonia del batterio Paenibacillus dendritiformis forma diramazioni (composte da cellule) in tutte le direzioni: quando invece la colonia è obbligata a condividere la piastra di coltura, dotata di quantità limitate di nutrienti, con un’altra colonia, lo schema di diramazione di entrambe risulta asimmetrico, tale da lasciare uno spazio vuoto tra le due colonie distinte.

Non è però la mancanza di cibo che arresta la crescita, e quindi l’espansione spaziale delle diramazioni, delle colonie: i ricercatori hanno infatti appurato che lo spazio vuoto tra le colonie contiene le sostanze nutritive necessarie alla crescita; quello che differenzia la composizione chimica di tale zona priva di cellule dal resto della piastra di coltura è invece la presenza di una particolare proteina prodotta dai microrganismi. Il team di ricerca ha purificato questa proteina presente esclusivamente in questa “terra di nessuno”, e con un tampone ne ha posizionato un pò in una nuova piastra inoculata con P. dendritiformis.

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Categorie:Biologia

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