I lantibiotici, termine coniato combinando “lantipeptide” e “antibiotici”, sono una classe di peptidi sintetizzati da particolari batteri lattici che hanno ottenuto particolare attenzione a causa delle loro potenti proprietà antimicrobiche e ampia applicazione nell’industria alimentare. 

Tuttavia il loro impatto a livello dei batteri commensali intestinali è poco chiaro. Per tale motivo un gruppo di ricercatori statunitensi ha avviato uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista ACS Chemical Biology, per comprendere l’impatto dei lantibiotici su batteri commensali residenti nell’intestino umano.

Antimicrobici batterici: batteriocine e peptidi modificati

Al fine di liberare una nicchia o di conferire resistenza alla colonizzazione nella comunità, molti batteri producono batteriocine per uccidere i concorrenti microbici. 

Le batteriocine possono funzionare come conservanti alimentari naturali attraverso l’inibizione di batteri patogeni, contribuendo in ultima analisi alla sicurezza alimentare. 

Una delle principali classi di batteriocine è rappresentata dai peptidi modificati RiPP (ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides), che esibiscono un ampio spettro di attività antimicrobiche contro sia Gram-positivi che Gram-negativi, compresi  Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis ed Escherichia coli.  

La biosintesi dei RiPP inizia con un peptide precursore codificato da un gene, che comprende un peptide principale  C-terminale fuso con un peptide leader N-terminale. 

Il peptide leader viene riconosciuto da enzimi di modificazione, che di solito sono codificati nello stesso  cluster biosintetico di geni (BGC), in modo da  ricevere le modifiche post-traduzionali sul peptide principale. Successivamente, il peptide leader viene rimosso dalla proteasi di scissione per produrre il peptide maturo con la bioattività desiderata. 

Lantibiotici e intestino umano: nisina A

La nisina, prodotta da Lactobacillus lactis, è un lantibiotico di classe I che è stato ampiamente utilizzato nell’industria alimentare per decenni ed è stato studiato come antimicrobico terapeutico, ma la sensibilità alla nisina dei commensali dell’intestino umano non è stata del tutto indagata. 

Commensali Gram-positivi dell’intestino umano, soprattutto quelli della famiglia delle Lachnospiraceae (Phylum Bacillota), sono i principali produttori di metaboliti secondari come gli acidi grassi a catena corta e gli acidi biliari secondari, cruciali per la stabilità del microbioma intestinale e l’omeostasi immunitaria dell’ospite; nei suini e nei topi  a nisina A, assunta  per via orale ha indotto considerevoli, ma reversibili cambiamenti nella composizione microbica e nelle attività metaboliche del microbioma intestinale. Inoltre lo screening genetico nei patogeni e negli organismi produttori di lantibiotici ha identificato molteplici meccanismi di resistenza ai lantibiotici quali modifiche delle pareti cellulari, della membrana cellulare e delle pompe di efflusso. 

Tuttavia rimane da comprendere se questi meccanismi esistono nei commensali dell’intestino umano e come possono avere impatto sui lantibiotici.

Nuovi lantibiotici intestinali

Al fine di comprendere l’impatto dei lantibiotici sul microbioma intestinale commensale sono stati identificati, attraverso studi di bioinformatica, dei lantibiotici intestinali prodotti dallo stesso microbiota commensale. 

Sono stati identificati sei lantibiotici di derivazione intestinali (blauticina, nisina O, Lan-Df, Lan-CE02, Lan-P49.1, Lan-P49.2). In dettaglio il peptide precursore della blauticina è stato trovato sia in Blautia producta sia in Blautia coccoides, mentre quello della nisina O sia in Blautia obeum sia in Faecalicatena contorta. 

Per quanto riguarda le quattro nuove sequenze, Lan-Df, trovato in Dorea formicigenerans, è stato identificato come uno stretto omologo della nisina O, Lan-CE02 derivato da Clostridium sp. E02, si discosta ulteriormente dal prototipo dei lantibiotici simili alla lisina, mentre le due varianti, Lan-P49.1 e Lan-P49.2, derivate dallo stesso genoma di Pseudobutyrivibrio sp. 49, condividono entrambi le stesse sequenze della blauticina negli anelli A e B all’estremità N dei peptidi, ma con differenze nel C-terminale dei peptidi.

Attività antimicrobica dei lantibiotici di classe I

Utilizzando una piattaforma di espressione eterologa migliorata per i lantibiotici in E. coli, è stata indagata l’attività antimicrobica di tutti e sei lantibiotici di derivazione intestinale negli stati misti di disidratazione. 

I risultati suggeriscono che i lantibiotici simili alla nisina non richiedano la completa disidratazione per la loro attività antimicrobica. 

Ad esempio è stata osservata una concentrazione minima inibente (MIC) contro Enterococcus faecium simile tra la blauticina completamente disidratata, la blauticina disidratata mista e la blauticina nativa resistente alla vancomicina.

Geni di resistenza ai lantibiotici

Le differenze nei profili di sensibilità ai lantibiotici dei patogeni e dei commensali dell’intestino umano hanno portato a ulteriori indagini sui potenziali meccanismi di resistenza ai lantibiotici codificati nei genomi dei batteri intestinali. 

Sono stati segnalati molti meccanismi di resistenza ai lantibiotici nei batteri, per lo più rivelati attraverso lo screening genetico dei patogeni. 

Il principale meccanismo di resistenza è rappresentato dalle modificazioni della parete cellulare batterica, seguito da modifiche alle pompe di efflusso e da modifiche alla membrana cellulare. 

È stato scoperto che per la maggior parte degli organismi, il numero di geni potenzialmente induttori di resistenza presenti in un genoma specifico non è correlato con una resistenza ai lantibiotici più forte (minore sensibilità). Tra i commensali intestinali umani più resistenti figurano E. ramosum e Anaerostipes hadrus MSK.14.23.

Conclusioni

Sono stati scoperti nuovi lantibiotici di classe I di derivazione intestinale attraverso estrazione bioinformatica, e ne sono state studiate le attività antimicrobiche sia sugli agenti patogeni sia sui commensali dell’intestino umano. Queste caratterizzazioni e successivi studi possono essere preziosi per il futuro sviluppo di terapie a base di lantibiotici e dei conservanti alimentari.