Licheni: Miniere Inesplorate di Peptidi Bioattivi Scoperti con la Bioinformatica!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e misteri della natura! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo microscopico ma potentissimo dei licheni e delle molecole che producono. Avete mai sentito parlare dei RiPPs? No, non sono l’ultimo grido della musica trap, ma l’acronimo di “Ribosomally synthesized and posttranslationally modified peptides”, ovvero peptidi sintetizzati dai ribosomi e modificati dopo la traduzione. Sembra complicato? In realtà, sono molecole incredibilmente versatili e promettenti, considerate un po’ la nuova frontiera per lo sviluppo di farmaci, capaci persino di “attaccare” bersagli proteici finora considerati “inattaccabili” e di combattere la resistenza agli antibiotici.

Il mondo dei batteri ci ha già regalato RiPPs diventati farmaci, ma quello dei funghi è ancora in gran parte inesplorato, soprattutto quando si parla di funghi che vivono in simbiosi complesse, come quelli che formano i licheni (i cosiddetti funghi lichenizzanti o LFF). Perché questa lacuna? Beh, coltivare questi organismi in laboratorio è un’impresa ardua, e solo di recente abbiamo iniziato a sequenziarne i genomi su larga scala.

L’ipotesi: i licheni come scrigni di RiPPs?

Considerando che i RiPPs nei funghi spesso fungono da tossine o armi di difesa (antimicrobiche, antifungine, anti-predazione) e che i talli lichenici sono notoriamente “puliti” da funghi saprofiti comuni, mi sono chiesto: e se i licheni fossero in realtà delle vere e proprie miniere di BGC (Biosynthetic Gene Clusters) per i RiPPs? I BGC sono gruppi di geni vicini nel genoma che lavorano insieme per produrre una specifica molecola complessa, come appunto un RiPP.

Armato di potenti strumenti computazionali e degli ultimi progressi nelle tecnologie “omiche”, ho intrapreso un’esplorazione bioinformatica senza precedenti. L’obiettivo? Scavare nei genomi di ben 111 funghi lichenizzanti (principalmente della classe Lecanoromycetes, ma con alcuni “parenti” di altre classi per confronto) per mappare la diversità e la distribuzione dei BGC dei RiPPs. Ho usato un approccio integrato che combina:

• Genome mining: la ricerca sistematica di BGC nei dati genomici usando software specializzati come antiSMASH.
• Inferenza filogenetica: la ricostruzione dell’albero evolutivo di questi funghi per capire le relazioni tra loro e la distribuzione dei BGC.
• Ricostruzione di reti geniche: l’analisi delle somiglianze tra i BGC per raggrupparli in famiglie (GCF) e “clan” più grandi, identificando così percorsi biosintetici conservati o unici.

Una scoperta sorprendente: un’abbondanza inattesa!

E qui arriva la prima, grande sorpresa! Contrariamente alle stime precedenti che parlavano di un misero 0.5% per i funghi in generale, nei licheni che ho analizzato i BGC dei RiPPs costituiscono circa il 17% dell’intera diversità biosintetica! Pensate un po’, quasi un quinto dei “progetti” molecolari di questi funghi è dedicato ai RiPPs. Abbiamo identificato ben 987 BGC di RiPPs solo nei Lecanoromycetes. Certo, la distribuzione non è uniforme: alcuni licheni sembrano non averne (come Caeruleum heppi), mentre altri ne sono stracolmi (fino a 50 in Icmadophila ericetorum!).

Ma la cosa ancora più affascinante è che la stragrande maggioranza di questi BGC (circa il 95%!) sono risultati essere “singletons”, cioè unici. Non si raggruppavano con nessun altro BGC conosciuto, né tra di loro. Questo suggerisce che i licheni potrebbero produrre una varietà enorme di peptidi RiPP strutturalmente e funzionalmente unici, un vero tesoro nascosto per la scoperta di nuove molecole bioattive. Questa specificità potrebbe essere il risultato di un’evoluzione finemente sintonizzata sulle specifiche interazioni biotiche che ogni lichene affronta nel suo ambiente.

Due Clan misteriosi nella famiglia Parmeliaceae

Nonostante questa enorme diversità unica, l’analisi delle reti geniche ha rivelato qualcosa di interessante nella famiglia più grande di funghi lichenizzanti, le Parmeliaceae. Qui abbiamo trovato due “clan” di BGC conservati, che abbiamo chiamato Clan R1 e Clan R2. Questi clan raggruppano diverse famiglie di geni (GCF) che sono omologhe tra loro, suggerendo che potrebbero codificare per composti simili, specifici di questa famiglia lichenica.

Cosa rende speciali questi clan? Entrambi condividono un gene “firma” che contiene un dominio proteico chiamato DUF3328. Questo dominio si trova in enzimi omologhi a UstYa e UstYb, coinvolti nella biosintesi delle dikaritine in altri funghi. Le dikaritine (che includono tossine come ustilossine e fomopsine) sono una classe nota di RiPPs fungini, spesso micotossine con attività antimitotica. Quindi, abbiamo un primo indizio: questi clan lichenici potrebbero essere imparentati con BGC che producono micotossine!

Tuttavia, scavando più a fondo, le cose si complicano (e si fanno più interessanti!).

Clan R1: Somiglianze e Differenze con le Dikaritine Note

Il Clan R1 tipicamente contiene due copie del gene firma (omologhi a UstYa e UstYb) e geni accessori conservati che ricordano quelli trovati nei BGC delle ustilossine in funghi come Aspergillus flavus. Troviamo infatti una tirosinasi e una O-metiltransferasi (OMT). La tirosinasi è coinvolta nella ciclizzazione del peptide precursore, mentre le metiltransferasi possono aggiungere gruppi metilici. Curiosamente, le OMT non erano mai state riportate nei BGC delle dikaritine fungine (dove si trovano N-metiltransferasi), ma sono note per modificare RiPPs batterici. Questo suggerisce un ruolo potenzialmente nuovo per questo enzima nei licheni. Nonostante queste somiglianze, mancano altri enzimi chiave per produrre l’ustilossina B nota, indicando che il prodotto finale del Clan R1, pur essendo probabilmente una dikaritina, è probabilmente una molecola nuova e diversa.

Clan R2: Un’Architettura Unica con Influenze Batteriche?

Il Clan R2, invece, ha un solo gene firma (omologo a UstY) ma manca degli enzimi accessori tipici delle dikaritine (come la tirosinasi). La sua architettura ricorda un po’ quella del BGC dell’asperipina-2a, un’altra dikaritina fungina. Ma la vera sorpresa è la presenza di multiple copie conservate di un’acetiltransferasi della famiglia GNAT. Questi enzimi sono comuni nei BGC dei RiPPs batterici, dove acetilano l’estremità N-terminale del peptide “core” dopo la rimozione del peptide “leader”, ma non erano mai stati associati a BGC di dikaritine fungine! Questo set completamente diverso di geni accessori, con acetiltransferasi al posto di reduttasi o metiltransferasi, suggerisce fortemente che il Clan R2 rappresenti una classe di RiPPs ancora sconosciuta, forse un ibrido evolutivo affascinante.

Il Mistero del Precursore e il Motivo HXXHC

Un altro enigma riguarda il peptide precursore. I precursori delle dikaritine di solito hanno sequenze “core” altamente ripetute, che però non abbiamo trovato nei BGC dei Clan R1 e R2. Questo potrebbe significare che il precursore si trova altrove nel genoma, o che questi RiPPs lichenici hanno un singolo core, discostandosi dal modello classico.

Tuttavia, un elemento chiave collega entrambi i clan (e molti altri RiPPs lichenici “singletons”) alle dikaritine: l’analisi dei geni firma (quelli con il dominio DUF3328) ha rivelato la presenza costante di due motivi aminoacidici altamente conservati: HXXHC. Si pensa che questo doppio motivo faccia parte del sito attivo dell’enzima e sia un indicatore affidabile del suo coinvolgimento nella produzione di RiPPs, distinguendolo da altri enzimi DUF3328 coinvolti in vie biosintetiche diverse (es. polichetidi).

Dikaritine Oltre le Aspettative: Una Diffusione Sorprendente

Armati della conoscenza del motivo HXXHC come possibile marcatore, abbiamo riesaminato tutti quei BGC di RiPPs che erano rimasti “orfani” nell’analisi di rete (i singletons). Ebbene, abbiamo scoperto che geni firma contenenti questo motivo, e quindi potenzialmente omologhi a quelli delle dikaritine (ustilossina, asperipina-2a, fomopsina), sono incredibilmente diffusi in tutta la classe dei Lecanoromycetes (e anche nei Dothideomycetes ed Eurotiomycetes lichenizzati inclusi nello studio)!

Questo non significa che tutti questi licheni abbiano i cluster completi R1 o R2, anzi, la maggior parte di questi BGC “simil-dikaritinici” ha omologia e sintenia (organizzazione dei geni) molto bassa rispetto ai cluster noti e tra di loro, motivo per cui non si raggruppavano nell’analisi di rete. Ma la presenza diffusa del gene firma con il motivo HXXHC suggerisce una storia evolutiva profonda e una potenziale capacità diffusa di produrre peptidi correlati alle dikaritine, anche se probabilmente con strutture e funzioni molto variegate. È la prima volta che la presenza di omologhi di geni per dikaritine viene riportata così ampiamente nei Lecanoromycetes.

Conclusioni e Prospettive Future: Un Tesoro da Scavare

Cosa ci dice tutto questo? In primo luogo, che i licheni sono una fonte potenzialmente ricchissima e largamente sottovalutata di RiPPs, con una diversità che supera di gran lunga le aspettative. Molti di questi RiPPs sembrano essere unici e specifici per singole specie o gruppi ristretti.

In secondo luogo, abbiamo identificato due clan conservati (R1 e R2) nella famiglia Parmeliaceae che, pur essendo collegati evolutivamente alle dikaritine (spesso micotossine), presentano architetture geniche uniche e probabilmente producono molecole nuove. La presenza diffusa di geni firma “simil-dikaritinici” in molti altri licheni apre scenari affascinanti sulla loro evoluzione e funzione ecologica.

Questo studio è solo la punta dell’iceberg. La bioinformatica ci ha aperto una finestra incredibile sul potenziale biosintetico nascosto dei licheni. Il prossimo passo, cruciale, sarà la validazione sperimentale: coltivare questi organismi (o esprimere i geni in ospiti più trattabili), isolare le molecole prodotte dai BGC identificati, determinarne la struttura chimica e testarne l’attività biologica. Chissà quali nuovi farmaci, antibiotici o molecole utili potrebbero nascondersi in questi affascinanti simbionti! Il viaggio nell’esplorazione del metaboloma lichenico è appena iniziato, e promette di essere ricco di scoperte.

Fonte: Springer