Microbiologia molecolare

Responsabili: Proff. Giovanna Riccardi, Edda De Rossi, Maria Rosalia Pasca

Collaboratori:
Silvia Buroni (assegnista), Laurent Chiarelli (RTD), Giorgia Mori (assegnista), Beatrice Silvia Orena (dottoranda), Viola Camilla Scoffone (assegnista)

1) Identificazione del bersaglio cellulare di nuovi farmaci antitubercolari - Responsabile: Prof. Giovanna Riccardi, Prof. Maria Rosalia Pasca

Responsaibile: Proff. Giovanna Riccardi e Maria Rosalia Pasca
Collaboratori: Dr. Laurent Chiarelli, Dr. Giorgia Mori, Dr. Beatrice Silvia Orena

Mycobacterium tuberculosis, l'agente eziologico della tubercolosi, (TB) è responsabile ogni anno di circa 1.5 milioni di morti in tutto il mondo. La nascita e la diffusione di ceppi resistenti a farmaci antitubercolari attualmente in commercio e definiti come “MultiDrug-Resistant” (MDR), “Extensively Drug-Resistant” (XDR) e “Totally Drug-Resistant” (TDR), rappresentano un serio pericolo per la salute pubblica, in particolare per i pazienti immuno-compromessi. Le conoscenze derivate dai progetti di studio sul genoma offrono ora la possibilità di identificare geni “target”, che potranno essere utilizzati per sviluppare un intervento terapeutico efficace in grado di combattere la crescente minaccia dei microrganismi resistenti. All’interno del progetto “More Medicines for Tuberculosis-MM4TB”, finanziato dalla Commissione Europea (VII FP), il nostro Laboratorio sta caratterizzando i bersagli cellulari di composti naturali e di sintesi, già dimostrati essere attivi contro M. tuberculosis in modelli di TB attiva o latente. Tra queste molecole, stiamo studiando il meccanismo di attivazione del profarmaco TP053 (Albesa-Giove D et al., 2014, ACS Chem. Biol.) ed il suo possibile bersaglio cellulare. Abbiamo identificato il meccanismo di inattivazione di un derivato della chinossalina, il Ty38c (Neres J et al., 2014, ACS Chem Biol.), che ha come bersaglio cellulare l'enzima DprE1, identificato nel precedente progetto "New Medicines for Tuberculosis-MM4TB” (VI FP) come bersaglio dei Benzotiaziononi (BTZ). Un derivato dei BTZ è appena entrato nei “Trials” clinici sull’uomo. Infine, l’enzima CTP sintetasi (PyrG) è stato identificato come il bersaglio cellulare comune a due diversi profarmaci (Mori G et al., 2015, Chem. Biol.) ed è considerato un nuovo bersaglio vulnerabile di M. tuberculosis.

Collaboratori: Cole ST (EPFL, Lausanne, Switzerland), Makarov V (Bakh Institute of Biochemistry, Russian Academy of Science, Moscow, Russia), Baltas M (CNRS, Toulouse, Francia), Mikusova K (Comenius University in Bratislava, Department of Biochemistry, Bratislava, Slovacchia), Guerin M (Biophysics Unit, University of the Basque Country, Bilbao, Basque Country, Spagna), Marengo E (Università del Piemonte Orientale, Alessandria, Italia).

2) Nuovi farmaci attivi contro Burkholderia cenocepacia (FFC 2015) - Responsabile: Prof. Giovanna Riccardi

Responsabile: Prof. Giovanna Riccardi
Collaboratori: Dr. Silvia Buroni, Dr. Laurent Chiarelli, Dr. Viola Camilla Scoffone

Burkholderia cenocepacia è un batterio Gram-negativo che infetta le vie respiratorie di pazienti affetti da Fibrosi Cistica (FC). La sua eradicazione è complicata dalla resistenza intrinseca a parecchi antibiotici. Quindi, lo sviluppo di nuovi composti è prioritario per il trattamento di queste infezioni polmonari. Stiamo quindi seguendo due vie:

  1. Sintesi di nuovi composti attivi contro cenocepacia. Recentemente, abbiamo scoperto che il composto benzotiadiazolico 10126109 è molto attivo e abbiamo identificato un meccanismo di resistenza, basato sulla sua estrusione da parte di una pompa di efflusso RND. Il composto è efficace anche contro altre specie del Burkholderia cepacia complex, isolati clinici ed altri batteri sia Gram-negativi che -positivi. Abbiamo, inoltre, identificato il meccanismo d’azione e valutato la tossicità su cellule epiteliali FC. Successivamente saranno sintetizzati nuovi derivati del 10126109 allo scopo di ottenere molecole più attive. Inoltre, saranno sviluppate delle formulazioni inalabili da somministrare a un modello murino per valutarne l’efficacia in vivo.
  2. Caratterizzazione di enzimi coinvolti del sistema di comunicazione cellulare quorum sensing, quali possibili bersagli di composti contro la virulenza, che possano rappresentare nuovi approcci terapeutici. I due enzimi CepI e DfsA sono stati ottenuti in forma ricombinante e del secondo enzima è stata risolta la struttura tridimensionale. La messa a punto di un saggio di attività di questi enzimi ha consentito lo screening di possibili inibitori, attraverso i quali sono state identificate alcune molecole attive in vitro contro CepI, che sono in grado di diminuire fortemente la virulenza del batterio in vivo, in un modello di elegans.

Collaborazioni: Makarov V (Bakh Institute of Biochemistry, Russian Academy of Science, Moscow, Russia), Cardona S (University of Manitoba, Winnipeg, Canada), Coenye T (University of Gent, Belgium), Ungaro F (Università di Napoli Federico II), Bragonzi A (Ospedale San Raffaele, Milano), Drevinek P (Motol Hospital, Prague, Czech Republic).

3) Disbiosi del microbioma nel cancro colorettale ereditario e sporadico - Responsabile: Prof. Maria Rosalia Pasca

Responsabile: Prof. Maria Rosalia Pasca
Collaboratori: Dr. Giorgia Mori, Dr. Beatrice Silvia Orena

Il carcinoma colon-rettale (CRC) è la terza causa più comune di morte per cancro nel mondo. Numerose varianti genetiche, sia ad alta sia a bassa penetranza, sono state associate al rischio di malattia. Mentre però il genoma di un individuo adulto rimane pressoché invariato, la composizione del microbioma può cambiare in seguito a cambiamenti nello stile di vita e nella dieta. L’intestino umano è colonizzato da comunità complesse di microrganismi commensali; distorsioni nella composizione della comunità batterica o nelle sue funzionalità possono essere associate allo sviluppo di adenomi (precursori del cancro colon-rettale) e di CRC. Approcci molecolari, utilizzati per rilevare alterazioni nella composizione del microbioma, potrebbero portare all'identificazione di biomarcatori, ossia di indicatori di un particolare stato di malattia dell’organismo. Grazie a tecniche molecolari coltura-indipendenti, come il sequenziamento dei geni dell’rRNA 16S, stiamo analizzando la comunità batterica nelle feci di pazienti con CRC, pazienti con adenomi a confronto con soggetti sani, effettuando parallelamente anche studi preliminari riguardanti le abitudini alimentari. Ci proponiamo inoltre di studiare la popolazione eucariotica del microbioma intestinale, con l’intento di verificare, in casi di CRC, la presenza di variazioni in questa comunità, oltre che in quella batterica.

Collaboratori: Prof. Albertini A (Dipartimento di Biologia e Biotecnologie, Università di Pavia, Pavia, Italia), Prof. Ranzani GN (Dipartimento di Biologia e Biotecnologie, Università di Pavia, Pavia, Italia), Dr. Calistri D (IRST, Meldola, FC, Italia), Dr. Rengucci C (IRST, Meldola, FC, Italia), Dr. Segata N (Centro perla Biologia Integrativa, Università di Trento, Trento, Italia), Dr. Tibiletti MG (Servizio di Anatomia Patologica, Ospedale di Circolo di Varese, Varese, Italia), Prof. Anti M (Istituto Nazionale Tumori Regina Elen, Roma, Italia), Prof. Marengo E (Università del Piemonte Orientale, Alessandria, Italia).

4) Identificazione e caratterizzazione di batteri endofiti delle leguminose per applicazioni in agricoltura e per la ricerca di nuovi antimicrobici - Responsabile: Prof. Edda De Rossi

Responsabile: Prof. Edda De Rossi

I batteri endofiti sono strettamente associati a piante e semi, promuovendone la crescita/germinazione in ambienti sfavorevoli e svolgendo un’azione di contenimento nei confronti di agenti patogeni. Attualmente esiste un forte interesse nel loro utilizzo come fonte rinnovabile e sostenibile di nuovi antibiotici, come alternativa a ridotto impatto ambientale agli agrofarmaci di sintesi e come agenti di biorisanamento per il recupero di terreni contaminati da metalli pesanti.

Le leguminose si sono rivelate un’interessante fonte di endofiti, recentemente rintracciati per la prima volta nei noduli radicali. Anche il seme ospita una comunità di endofiti che non solo esercitano un’azione di stimolo della germinazione proteggendo la giovane plantula dallo stress ambientale e dalle malattie, ma contribuiscono a preservare la qualità del seme durante periodi prolungati di stoccaggio.

Alcuni endofiti isolati dalle piante contribuiscono a controllare lo sviluppo di microrganismi patogeni nelle piante e/o negli animali; questi batteri e in particolare le sostanze prodotte possono essere utili anche nel trattare infezioni batteriche umane. A causa della rapida diffusione di nuovi ceppi resistenti agli antibiotici, la ricerca di nuove molecole realizzata attraverso il drug design e la chimica combinatoriale è diventata una drammatica priorità. Anche la ricerca di molecole naturali con attività antimicrobica ha ripreso interesse, per i bassi costi di produzione e per la loro variabilità strutturale. La biodiversità dei batteri endofiti e la peculiarità del loro stile di vita si riflette in una gamma di metaboliti il cui potenziale applicativo è tuttora fortemente sottostimato.

Questo progetto, attivato molto recentemente, si propone di caratterizzare batteri endofiti in genotipi commerciali di leguminose foraggere appartenenti ai generi Medicago e Trifolium, per individuare ceppi che possano promuovere la germinazione del seme, contribuire al biorisanamento di suoli contaminati da metalli pesanti e siano produttori di nuove molecole naturali con attività antibatterica.

Collaborazioni: Prof.ssa Alma Balestrazzi (Dip. di Biologia e Biotecnologie, Pavia)

5) Studio della proteina di membrana MmpL3 quale bersaglio cellulare di derivati pirrolici con attivita' antitubercolare - Responsabile: Prof. Edda De Rossi

Responsabile: Prof. Edda De Rossi

I derivati pirrolici sono molto attivi contro M. tuberculosis, micobatteri atipici come M. avium, isolati clinici di M. tuberculosis multiresistenti e bacilli intracellulari e perciò sono considerati promettenti agenti antituberculari. L’obiettivo di questa linea di ricerca è stato l’identificazione e la caratterizzazione del bersaglio cellulare del composto ”lead” BM212. Mediante l’isolamento e la caratterizzazione di mutanti di M. tuberculosis, M. bovis e M. smegmatis resistenti a BM212 è stato dimostrato che il bersaglio è la proteina di membrana MmpL3, trasportatore di un precursore della sintesi degli acidi micolici, componenti della parete cellulare. Recentemente, altri ricercatori hanno identificato diverse classi di inibitori della funzione di MmpL3 confermando che questa proteina è di fatto un nuovo bersaglio terapeutico per combattere la tubercolosi. La caratterizzazione della proteina MmpL3 è il punto di partenza sia per studi di “molecular modeling” sia per progettare nuovi e più efficaci inibitori.