Come biologo molecolare, si inizia imparando le basi del codice del DNA. Leggere e tradurre il codice viene prima, e poi si può passare a fare il proprio editing attento usando taglia e incolla e copia e incolla. Una volta acquisite queste abilità, puoi manipolare geni, genomi e proteine per esaminare come “funzionano” le cellule e per regolare il loro modo di lavorare. La potenza, la versatilità e l’accessibilità di queste tecniche sono migliorate a passi da gigante negli ultimi anni, in parallelo con i miglioramenti nelle tecnologie dell’informazione. Per esempio, il sequenziamento del DNA, o la capacità di “leggere” un intero genoma, è ora accessibile a qualsiasi gruppo di ricerca con risorse ragionevoli.
Le tecniche sono importanti, ma è davvero ciò che si fa con esse che può catturare l’immaginazione. La scoperta di geni chiave associati a malattie, spesso molti anni dopo che le conseguenze della loro azione, o inazione, sono note, è stata una fonte di ispirazione per me personalmente. In particolare, ricordo di aver letto dell’identificazione del gene della fibrosi cistica nel 1989, quando ho iniziato il mio dottorato, e di aver sentito parlare dell’identificazione del gene della leptina, legato all’obesità, come post-doc nel 1995. Poi, ho visto l’impatto che la scoperta del gene potrebbe avere sulla mia comunità di parassitologia molecolare: i geni var del parassita della malaria nel 1995, il gene associato alla resistenza al siero umano del tripanosoma africano nel 1998, e il trasportatore della resistenza alla clorochina del parassita della malaria nel 2000 sono solo alcuni esempi. Rimane impegnativo, però, identificare i geni coinvolti in un particolare processo di interesse. La scoperta di un nuovo e importante gene è anche solo il primo passo nella ricerca volta a comprendere appieno la funzione e il potenziale come bersaglio terapeutico o candidato alla vaccinazione, per esempio. Le sfide in sospeso, tuttavia, sono esattamente quelle che continuano a guidare l’innovazione tecnologica nelle scienze della vita.
Quindi qual è la situazione per i parassiti unicellulari tripanosomatidi su cui lavoriamo a Dundee? Queste cellule altamente mobili, lunghe circa 1/50 di millimetro, sono diffuse tra i mammiferi da insetti succhiasangue. Hanno un impatto devastante sui poveri del mondo, causando le “malattie tropicali trascurate” tripanosomiasi africana, malattia di Chagas, e le leishmaniosi. Le conseguenze di questa serie di malattie umane e animali sono centinaia di migliaia di morti ogni anno e circa un milione di casi all’anno di lesioni deturpanti associate alla leishmaniosi cutanea. I tripanosomi inoltre limitano fortemente l’importazione di cavalli, bovini, pecore e capre suscettibili in tutta l’Africa.
Ci siamo concentrati sui tripanosomi africani in particolare e vediamo che gli adattamenti antiparassitari nell’ospite e i farmaci antiparassitari sono costantemente minacciati dall’obsolescenza nella “corsa alle armi” tra noi e i parassiti. Nella speranza di aiutare a guadagnare il sopravvento in questa corsa, abbiamo adattato un approccio di screening genetico che ci permette di esaminare ogni gene del parassita per i ruoli nell’azione dei farmaci e la resistenza ai farmaci. Questo ha rivelato >50 nuovi geni legati a farmaci in uso clinico. I farmaci nifurtimox ed eflornitina, per esempio, sono ampiamente utilizzati come terapia combinata. Abbiamo confermato che il nifurtimox è convertito in un farmaco più potente da un enzima del parassita e, come riportato indipendentemente da altri gruppi, abbiamo scoperto che l’eflornitina è assorbita da un trasportatore di aminoacidi del parassita.
Un farmaco molto più vecchio, la suramina, è stata trovata per fare l’autostop nella cellula su una proteina di superficie del parassita. Questa è stata una scoperta particolarmente soddisfacente perché Paul Ehrlich, “il padre della chemioterapia”, che ha sviluppato sia l’ipotesi del “proiettile magico” che i precursori della suramina più di 100 anni fa, ha dichiarato: “Quando una volta che avremo conosciuto la maggior parte dei chemiorecettori di un particolare tipo di parassita… avremo ampie possibilità di attacco simultaneo con varie agenzie” (Ehrlich, 1913). Così, abbiamo trovato uno dei “chemiorecettori” di Ehrlich, e questo presenta effettivamente nuove opportunità di sviluppo terapeutico.
Un’altra scoperta riguardava altri due vecchi farmaci per i quali la resistenza incrociata era stata segnalata oltre 60 anni fa. Questa resistenza incrociata al melarsoprol e alla pentamidina era legata a un difetto in un’acquagliceroporina, un altro trasportatore di membrana del parassita. La resistenza al melarsoprol, un farmaco piuttosto tossico ma altrimenti efficace, contenente arsenico, era stata osservata fino al 50% dei pazienti in alcune zone. Squadre che hanno raccolto e conservato parassiti resistenti da tutta l’Africa sono state in grado di identificare rapidamente i difetti in questo trasportatore e di risalire alla metà degli anni ’70. Così, i cambiamenti genetici che hanno permesso ai tripanosomi di resistere a questa particolare terapia sono ora noti, l’impatto di questi cambiamenti può essere studiato in dettaglio, e la diffusione e la distribuzione dei parassiti resistenti può essere efficacemente monitorata.
È piuttosto notevole come i processi biologici diventino spesso sperimentalmente accessibili in modi non previsti, probabilmente perché abbiamo ancora così tanto da imparare su molti di essi. Questa è stata anche la mia esperienza personale. Nel caso delle nostre scoperte, è stato il nostro lavoro sulla riparazione del DNA che ci ha permesso di sviluppare l’approccio di screening genetico descritto sopra. Inoltre, la nostra motivazione iniziale per sviluppare questo approccio era il desiderio di affrontare una questione di espressione genica completamente diversa; fortunatamente, siamo stati in grado di avviare collaborazioni con colleghi che erano già esperti affermati nella resistenza ai farmaci.
Quello che è chiaro è che sapere come funzionano i farmaci e come smettono di funzionare aiuta a migliorare le prospettive di concepire terapie più efficaci e durature e migliora anche le prospettive di monitorare e affrontare la resistenza quando si presenta. Come “ricercatori di base”, lavorando con i partner della Dundee Drug Discovery Unit, continueremo i nostri sforzi per scoprire e sezionare la biologia drogabile nei tripanosomatidi. Infatti, gli strumenti e le tecnologie sono ora in atto per sondare queste interazioni chimico-biologiche ad un throughput più alto che mai.
Siccome il nostro lavoro si basa continuamente sul lavoro e sulle scoperte di molti colleghi – troppo numerosi da menzionare, temo – concludo ribadendo ciò che è probabilmente piuttosto ovvio: l’impatto contro questi e altri patogeni umani e animali richiede una comunità di ricercatori, massa critica, interazione aperta, collaborazione e accesso a tecnologie potenti, sia a livello base che traslazionale. Ciò che è anche chiaro è che gli esperimenti con gli agenti patogeni continueranno a produrre intuizioni di rilevanza molto più ampia per le scienze della vita e oltre.
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https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001