Ricerca farmaceutica I batteri delle torbiere potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci

I ricercatori del settore farmaceutico utilizzano spesso la natura come modello per lo sviluppo di nuovi principi attivi. Un gruppo internazionale di ricercatori ha ora analizzato il genoma dei batteri delle torbiere per comprendere meglio quando vengono avviati determinati processi di sintesi delle sostanze naturali.

Molti dei farmaci più importanti – in primo luogo gli antibiotici – si basano su sostanze prodotte dai batteri in natura. I microrganismi utilizzano queste molecole attive come armi biochimiche contro i concorrenti oppure le impiegano per legare le sostanze nutritive presenti nell’ambiente. Una nuova ricerca condotta da un gruppo di ricerca del Cluster di Eccellenza «Balance of the Microverse» dell’Università Friedrich Schiller di Jena (FSU), a cui partecipano l’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU), l’Università del Delaware e il Centro tedesco per la ricerca integrativa sulla biodiversità (iDiv) di Halle-Jena-Lipsia. I ricercatori hanno esaminato da vicino il genoma dei batteri provenienti da una torbiera, come riportato in una recente pubblicazione. Per la loro analisi, i ricercatori hanno studiato campioni di torba provenienti dalla torbiera di Schlöppnerbrunnen, situata nel massiccio bavarese del Fichtelgebirge. Con l’ausilio del sequenziamento ad alta produttività e della cosiddetta metagenomica – che consiste nell’analisi del genoma di un’intera comunità biologica direttamente da un campione ambientale – hanno decodificato il genoma dei microbi presenti in quella zona.

Scoperti numerosi cluster genici finora sconosciuti

Dopo aver scartato i frammenti incompleti, i ricercatori hanno individuato poco più di 8.000 cosiddetti cluster genici biosintetici: segmenti di DNA che codificano il meccanismo per la sintesi di composti biologicamente attivi. Ciò che ha sorpreso i ricercatori è che circa il 97% di essi non era attribuibile ad alcuna famiglia di cluster genici finora conosciuta. Essi rappresentano un panorama biochimico finora inesplorato. 

Anche una piccola torbiera ospita una straordinaria varietà di modelli strutturali di sostanze naturali. Molti di essi provengono da microrganismi che, finora, abbiamo potuto studiare solo con difficoltà in laboratorio.

Autore principale: dott. Zander Human, Università Friedrich Schiller di Jena

Tuttavia, la presenza di un progetto genetico nel genoma non implica automaticamente che la sostanza corrispondente venga effettivamente prodotta in natura. Gli autori dello studio hanno quindi fatto un ulteriore passo avanti, analizzando il cosiddetto RNA messaggero (mRNA) per individuare i geni attivamente utilizzati nella torbiera. Il loro risultato sorprendente: solo circa il 9-27% dei cluster genici rilevati era effettivamente attivo. I gruppi di batteri che presentavano un grande potenziale genetico per la produzione di sostanze naturali – con in alcuni casi oltre 20 diversi schemi di costruzione nel genoma – mostravano invece solo un’attività metabolica limitata nella torbiera. 

Al contrario, hanno prevalso i cosiddetti acidobatteri: sebbene dispongano di un repertorio genico relativamente più ridotto, ben due terzi dei segnali genici rilevati provenivano proprio da loro. I dati mostrano inoltre un chiaro schema: gli acidobatteri attivavano i geni con cui producono sostanze naturali soprattutto quando, contemporaneamente, utilizzavano enzimi per la degradazione di residui vegetali complessi. Entrambi i processi sono quindi apparentemente direttamente collegati tra loro.

A quali condizioni vengono attivati i geni?

«Il numero dei progetti di costruzione, di per sé, rivela ben poco su ciò che un microrganismo fa effettivamente nel proprio habitat. Dobbiamo anche capire in quali condizioni attiva questi geni», sottolinea l’autore corrispondente, il dott. Carl-Eric Wegner della FSU e della HHU, che è stato uno dei responsabili dello studio. Ha diretto un sottoprogetto associato al cluster di eccellenza «Balance of the Microverse». Il cluster, con sede a Jena, studia come le comunità microbiche interagiscono tra loro, mantenendo così l’equilibrio in ecosistemi complessi. Wegner ha proseguito il suo lavoro su questo tema dopo essersi trasferito a Düsseldorf.

«Le torbiere sono habitat dinamici caratterizzati da forti gradienti ambientali, ad esempio per quanto riguarda il contenuto di ossigeno o le sostanze nutritive disponibili. Il nostro studio dimostra in modo convincente che la produzione di sostanze naturali non avviene in modo isolato, ma è strettamente integrata nell’equilibrio fisiologico e nei cicli metabolici dei microbi», spiega la prof.ssa Kirsten Küsel della FSU, coautrice dello studio e portavoce del cluster di eccellenza.

Il numero dei cluster genici biosintetici non è di per sé determinante

Lo studio fornisce importanti indicazioni per la biotecnologia farmaceutica nella ricerca mirata di futuri principi attivi. Finora la ricerca sui prodotti naturali si è concentrata principalmente sullo screening genomico di gruppi batterici noti, come gli actinobatteri o gli pseudomonadi, che presentano nel proprio genoma un gran numero di cluster genici biosintetici. Il dott. Zander Human della FSU, primo autore dello studio, afferma: «È emerso che non è sufficiente limitarsi a cercare i genomi con il maggior numero di schemi di costruzione. È invece fondamentale capire in quali condizioni ecologiche i microbi aprono la loro ‘cassetta degli attrezzi genetici’. In questo modo, gruppi finora trascurati come gli acidobatteri entrano nel mirino della ricerca sulle sostanze naturali.»

Carl-Eric Wegner: «Questi produttori apparentemente dotati di talento, tuttavia, rimangono per lo più inattivi nel loro ambiente naturale. In pratica ciò significa che, per poter attivare in laboratorio i cluster genici inattivi, dobbiamo imitare in modo mirato gli stimoli ecologici del loro habitat naturale – ad esempio aggiungendo fibre vegetali complesse o stimoli nutrizionali specifici. Inoltre, i gruppi di ceppi finora per lo più trascurati e difficili da coltivare, come gli acidobatteri, potrebbero aprire la strada a classi di molecole completamente nuove, che in futuro potrebbero essere utili, ad esempio, nella lotta contro i germi resistenti o le gravi malattie infiammatorie.»

Pubblicazione originale: Zander Rainier Human, Rene Hoover, Clara Chan, Kirsten Küsel e Carl-Eric Wegner. Elevata diversità ma espressione limitata dei cluster genici biosintetici in una comunità microbica delle torbiere. Nature Communications 17:10529 (2026)