Alga marrone potenziale rimedio contro le infezioni e il cancro della pelle

seaweed_-_bladderwrack_fucus_vesiculosus_25465284648-696x522

Immagine: Public Domain.

Guarire con l’aiuto di organismi marini non è un’utopia. Già 12 farmaci salvavita, ad esempio contro il cancro, sono stati sviluppati da organismi marini e dal loro microbiota simbiotico. Il loro elevato potenziale per lo sviluppo di farmaci è ostacolato dal lungo e costoso processo di scoperta. Il gruppo di ricerca dell’Unità di ricerca sulla chimica dei prodotti naturali marini del GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, supportato da approcci automatici computerizzati, ha ora scoperto con successo molecole marine come potenziali rimedi contro le infezioni e il cancro della pelle in un’alga e la sua origine fungina dal fiordo di Kiel.

Il processo di ricerca dei principi attivi marini inizia con l’estrazione di macro e microrganismi marini, seguita dalla purificazione e caratterizzazione dei loro nuovi componenti chimici bioattivi che sono destinati ad essere utilizzati per lo sviluppo di nuove terapie. L’alga marrone commestibile chiamata anche Fucus vesiculosus è ampiamente distribuita e abbondante nelle zone dell’emisfero settentrionale, in particolare, nel nord e nel Mar Baltico, nelle coste atlantiche dell’Europa e del Nord America. Piccole popolazioni di alga marrone si trovano anche sulla costa del Pacifico orientale del Canada. Poiché l’acqua di mare contiene circa un milione di batteri per millilitro, le alghe marine sono esposte a un’immensa pressione di contaminazione. Diversi microrganismi si attaccano alle superfici delle alghe per formare biofilm che possono avere effetti benefici, ma anche negativi per le alghe. La contaminazione incontrollata influisce sulla crescita delle alghe, sulla riproduzione e sulla suscettibilità alle malattie. Per prosperare nell’ambiente marino, le macroalghe hanno sviluppato strategie di difesa sia meccaniche che chimiche per controllare la microfouling.Le precedenti ricerche sul microbioma superficiale e sul metaboloma dell’alga F. vesiculosus hanno evidenziato il potenziale contributo degli epibionti microbici nella difesa chimica antivegetativa dei loro ospiti producendo composti antimicrobici. Tuttavia, è stato anche proposto che metaboliti veramente algali siano coinvolti nella difesa antimicrobica delle alghe. A causa delle pressioni del fouling ecologico, le macroalghe producono una vasta gamma di metaboliti strutturalmente diversi e biologicamente attivi che forniscono anche una potenziale fonte di farmaci che combattono i patogeni che causano infezioni nell’uomo. Il potenziale antimicrobico delle alghe brune è stato ampiamente riportato in letteratura ed include, in particolare, effetti inibitori elevati contro batteri Gram-positivi come Staphylococcus aureus e Bacillus subtilis. I metaboliti delle alghe brune con attività antimicrobiche riportate comprendono composti fenolici, carotenoidi, polisaccaridi e lipidi. L’attività antimicrobica riportata di F. vesiculosus è generalmente su estratti e frazioni grezze, mentre solo pochissimi studi hanno testato composti puri derivati ​​da questa alga. Un fucofloretolo polidrossilato isolato dalla norvegese F. vesiculosus ha mostrato inibizionedell’Escherichia coli eS. aureus, mentre la fucoxantina carotenoide ha inibito l’insediamento di quattro batteri marini alle sue concentrazioni naturali da 0,3 a 10 mg / cm 2 sulla superficie delle alghe. Le  ricerche sulle variazioni stagionali del metabolismo e del profilo di bioattività della F. vesiculosus del Baltico hanno mostrato un’attività costante di estratti grezzi organici contro lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) durante l’anno, mentre l’abbondanza di alcune classi di composti variava a seconda del mese di campionamento. Ad esempio, l’abbondanza di clorotannine era più alta in estate, ma più bassa in inverno quando la produzione di composti lipidici e clorofillici era sovraregolata. Ciò indica che l’attività antimicrobica non può essere attribuita a un singolo composto o classe, ma potenzialmente a una gamma di metaboliti diversi. Pertanto, l’origine specifica dell’attività antimicrobica in F. vesiculosus rimane da chiarire. L’estrazione spettrometrica di tandem di massa non mirata è diventata uno degli approcci più favoriti negli studi di metabolomica. Un secondo metodo chiamato Feature-based Molecular Networking (FBMN) è stato offerto nell’ambiente GNPS, in cui uno strumento di rilevamento e allineamento delle funzioni (MZmine, OpenMS, XCMS, ecc.) viene utilizzato per pre-elaborare i dati LC-MS / MS.  Il punteggio di bioattività si basa sui coefficienti statistici di correlazione di Pearson tra le caratteristiche chimiche e la bioattività osservata e può essere mappato sulla rete molecolare per prevedere potenziali composti bioattivi o famiglie chimiche e guidando così il loro isolamento mirato.

“Una delle maggiori insidie ​​nella ricerca sui farmaci è l’isolamento di molecole naturali già descritte, utilizzando il processo di isolamento guidato dalla bioattività “classica”. Questo approccio è complicato e spesso soggetto a errori”, dice il Prof. Dr. Deniz Tasdemir, capo dell’unità di ricerca Chimica dei prodotti naturali marini presso GEOMAR e GEOMAR Center for Marine Biotechnology.

Nel suo gruppo di ricerca, Tasdemir ha affrontato questo problema attraverso approcci automatizzati basati su computer in combinazione con screening della bioattività. In uno studio di un anno, è stato scoperto che l’alga marrone Fucus vesiculosus del fiordo di Kiel, inibisce il batterio patogeno Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) che causa infezioni ospedaliere.

“Le strategie di bioinformatica basate su algoritmi e gli strumenti di apprendimento automatico ci hanno permesso di mappare il massiccio metaboloma dell’alga marrone e allo stesso tempo prevedere i cluster molecolari responsabili della loro attività antibiotica”, ha affermato la Dr.ssa Larissa Büdenbender, ex post dottoranda del gruppo del Prof. Tasdemir e primo autore di uno dei due articoli ora pubblicati sulla rivista Marine Drugs. “Gli algoritmi applicati in questo studio raggruppano le famiglie molecolari in reti complesse in base ai loro punteggi di somiglianza chimica nelle analisi di spettrometria di massa e insieme agli strumenti di apprendimento automatico in silico, ci aiutano a identificare chimicamente i nuovi e noti composti già presenti nell’estratto”.

Molti funghi vivono anche in simbiosi sulle superfici e all’interno delle alghe. Queste sono anche fonti promettenti per la scoperta e lo sviluppo di nuovi farmaci. Bicheng Fan, un dottorando del Professor Tasdemir, ha isolato più di 120 funghi simbiotici e ha studiato il fungo Pyrenochaetopsis sp. in dettaglio, poiché uccide efficacemente le cellule tumorali della pelle del tipo melanoma con bassa citotossicità e ha un inventario chimico molto ricco. Bicheng ha anche usato approcci automatici computerizzati per isolare molecole speciali. Lo studio è stato recentemente pubblicato anche su Marine Drugs. Secondo il Prof Tasdemir, questo è solo il secondo studio chimico sul genere fungino Pyrenochaetopsis precedentemente inesplorato. “I funghi, che abbiamo isolato in condizioni ottimali di laboratorio, sono una fonte consolidata di agenti anticancro naturali. Abbiamo trovato diversi nuovi prodotti naturali, che abbiamo chiamato pirenosetine A e B che hanno un alto potenziale per combattere il cancro della pelle “, continua il chimico.

“In conclusione”, dice Tasdemir, “abbiamo dimostrato che i galattolipidi e le fluorotannine, costituenti delle membrane e delle pareti cellulari, sono responsabili dell’attività antimicrobica di F. vesiculosus. Questi metaboliti sono di grande rilevanza ecologica per le alghe in quanto possono regolare la formazione di biofilm sulla superficie delle alghe e quindi fornire un vantaggio competitivo in quanto questi metaboliti proteggono le alghe da agenti patogeni e un’epibiosi eccessiva.

“L’accesso alla rivoluzionaria genomica, metabolomica, bioinformatica e strumenti di apprendimento automatico consentirà, in modo senza precedenti, una nuova e rapida scoperta di composti marini e un uso efficiente per il successivo sviluppo di farmaci con partner industriali “, conclude il Professor Tasdemir.

Fonte:MDP