Consegna programmabile delle proteine ​​con un sistema di iniezione contrattile batterica

Natura volume 616, pagine 357–364 (2023) Citare questo articolo

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I batteri endosimbiotici hanno sviluppato complessi sistemi di rilascio che consentono a questi organismi di interfacciarsi con la biologia dell'ospite. Un esempio, i sistemi di iniezione contrattile extracellulare (eCIS), sono complessi macromolecolari simili a siringhe che iniettano carichi proteici nelle cellule eucariotiche guidando un picco attraverso la membrana cellulare. Recentemente, è stato scoperto che gli eCIS prendono di mira le cellule di topo1,2,3, aumentando la possibilità che questi sistemi possano essere sfruttati per la somministrazione di proteine ​​terapeutiche. Tuttavia, resta sconosciuto se gli eCIS possano funzionare nelle cellule umane e il meccanismo mediante il quale questi sistemi riconoscono le cellule bersaglio è poco compreso. Qui mostriamo che la selezione del bersaglio da parte della cassetta di virulenza Photorhabdus (PVC), un eCIS del batterio entomopatogeno Photorhabdus asymbiotica, è mediata dal riconoscimento specifico di un recettore bersaglio da parte di un elemento legante distale della fibra della coda in PVC. Inoltre, utilizzando l’ingegneria guidata dalla struttura in silico della fibra di coda, dimostriamo che i PVC possono essere riprogrammati per colpire organismi non presi di mira in modo nativo da questi sistemi, comprese cellule umane e topi, con efficienze che si avvicinano al 100%. Infine, mostriamo che i PVC possono caricare diversi carichi proteici, tra cui Cas9, editor di base e tossine, e possono consegnarli funzionalmente nelle cellule umane. I nostri risultati dimostrano che i PVC sono dispositivi programmabili per il rilascio di proteine ​​con possibili applicazioni nella terapia genica, nella terapia del cancro e nel biocontrollo.

Per i batteri endosimbiotici, è spesso vantaggioso secernere fattori che modulano la biologia dell’ospite a favore dell’idoneità simbionte4. Tuttavia, molti di questi fattori non possono passare facilmente attraverso le membrane cellulari; ciò ha portato allo sviluppo di sistemi complessi che trasportano attivamente le proteine ​​del carico utile nelle cellule5. Un esempio sono i sistemi di iniezione contrattile (CIS), una classe di nanomacchine simili a siringhe che ricordano le code di batteriofagi6,7.

I CIS sono complessi macromolecolari contenenti una struttura tubolare rigida alloggiata in una guaina contrattile, ancorata a una piastra di base e acuita da una proteina spike8,9,10,11,12,13,14. Si ritiene che i carichi utili si carichino nel lume del tubo interno dietro il picco, formino proteine ​​di fusione con il tubo o si associno al picco stesso, che, una volta riconosciuto dalle cellule bersaglio, viene forzato attraverso la membrana tramite la contrazione della guaina2,3,15, 16,17. Questa strategia si è rivelata straordinariamente efficace in tutta la biosfera, poiché è stato dimostrato che i CIS prendono di mira organismi provenienti da tutti e tre i domini della vita12,18,19. I CIS possono essere ancorati alla membrana batterica, dando vita a un sistema di rilascio dipendente dal contatto noto come sistema di secrezione di tipo VI8,20 (T6SS), oppure possono essere attaccati alla membrana tilacoide nei cianobatteri (tCIS) per essere attivati ​​durante uno stress cellulare risposta13; infine, possono essere prodotti come complessi liberi (eCIS) e rilasciati a livello extracellulare per fornire carichi utili indipendentemente dal produttore batterico21,22,23,24. Gli eCIS sono ampiamente distribuiti tra batteri e archaea e hanno dimostrato di raggrupparsi in almeno sei sottofamiglie, di cui solo due contengono esempi caratterizzati21,22,23. È stato dimostrato che i carichi utili eCIS esibiscono una varietà di funzioni naturali, tra cui la modulazione del citoscheletro dell'ospite18,24, la scissione del DNA1, l'induzione della metamorfosi15,25 e la tossicità dell'ospite22,24,26, indicando che questi sistemi sono stati adattati per molteplici nicchie biologiche. Recentemente, è stato scoperto che gli eCIS prendono di mira le cellule di topo1,2,3, aumentando la possibilità che questi sistemi possano essere sfruttati come strumenti di trasporto delle proteine. Tuttavia, l’attività eCIS deve ancora essere dimostrata nelle cellule umane, e il meccanismo attraverso il quale gli eCIS riconoscono le cellule bersaglio – una necessità se questi sistemi devono essere sviluppati in dispositivi di rilascio mirati – resta da chiarire.

Per i nostri studi sull’attività degli eCIS, ci siamo concentrati su un sottotipo di eCIS: i PVC. I PVC sono eCIS prodotti da membri del genere Photorhabdus, che esistono come endosimbionti all'interno dei nematodi entomopatogeni24. I PVC sono costituiti da un operone di circa 20 kb contenente 16 geni core (pvc1–16) necessari per l'assemblaggio di un sistema di iniezione funzionale (Fig. 1a). Immediatamente a valle di pvc1–16 ci sono i carichi utili Pdp1 e Pnf, che, come con tutti gli eCIS, si pensa entrino nelle cellule bersaglio attraverso la contrazione della guaina in PVC e il successivo smontaggio del complesso punta-tubo (Fig. 1b).