I batteri sono in grado di produrre testosterone. Cosa potrebbe significare questo per il cancro alla prostata?

La scoperta non significa che il batterio causi il cancro alla prostata, né dimostra che il testosterone prodotto dai batteri raggiunga i tumori o modifichi il decorso della malattia. Rivela tuttavia una via microbica finora sconosciuta verso un ormone fondamentale per la biologia della prostata, sollevando nuove domande sul fatto che i microrganismi che vivono in prossimità della prostata possano contribuire a plasmarne l’ambiente chimico.

Pubblicato su *Nature Communications*, lo studio ha riunito esperti di microbiologia, biologia del cancro, chimica, genomica e fisica computazionale. I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Auburn hanno contribuito con la biologia strutturale computazionale, che ha aiutato a spiegare, a livello atomico, come funziona il meccanismo batterico appena scoperto.

«Non stiamo affermando che questi batteri causino il cancro», ha dichiarato Rafael Bernardi, professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Auburn e coautore dello studio. «Quello che ora sappiamo è che possiedono il meccanismo molecolare per produrre testosterone. Poiché il cancro alla prostata è così strettamente legato alla segnalazione androgenica, si tratta di un aspetto che vale la pena comprendere».

Una capacità inaspettata nel microbioma urinario

Per decenni si è comunemente ritenuto che l’urina fosse sterile e il tratto urinario non era stato incluso nel progetto originale del Microbioma Umano. Gli scienziati ora sanno che essa contiene una propria comunità di microrganismi, spesso denominata microbioma urinario o urobioma. Gran parte della ricerca in questo campo ancora giovane si è concentrata sull’identificazione dei microbi presenti e sul confronto tra le comunità presenti nelle persone sane e in quelle affette da patologie. Il nuovo studio ha posto una domanda più complessa: cosa fanno effettivamente quei microbi?

Il team di ricerca ha esaminato i batteri isolati da campioni di urina prelevati da uomini prima di una biopsia prostatica. Per individuare organismi in grado di trasformare gli steroidi, i ricercatori hanno sviluppato un metodo di screening rapido denominato «Human Sterolbiome Discovery High-throughput assay», o test HSDH. Tra gli organismi identificati figurava l’Actinobaculum massiliense. Quando gli è stato somministrato il DHEA, il batterio ha prodotto molecole steroidee intermedie e, infine, testosterone.

Il DHEA, o deidroepiandrosterone, è uno steroide prodotto naturalmente dal corpo umano. I tessuti umani possono utilizzarlo come materia prima per produrre ormoni più potenti, tra cui il testosterone. Il nuovo lavoro dimostra che un batterio presente nel tratto urinario è in grado di svolgere reazioni chimiche simili utilizzando i propri enzimi.

«Il microbioma urinario è stato spesso studiato per capire quali organismi vi siano presenti», ha affermato Jason M. Ridlon, ideatore e supervisore dello studio. «Volevamo capire di cosa fossero capaci tali organismi. La scoperta di questa via di produzione degli androgeni ci fornisce geni ed enzimi specifici che ora possono essere studiati nel contesto della salute e delle patologie urinarie».

Dopo aver confermato la capacità del batterio di produrre testosterone, i ricercatori hanno cercato nel suo genoma i geni responsabili. Hanno identificato due candidati, che hanno denominato dirA e dirB, per la DHEA isomerasi riduttasi. Gli esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che DirA era insolitamente versatile, in grado di effettuare diverse trasformazioni steroidee e di consentire al batterio di produrre testosterone attraverso più di una via. DirB era in grado di svolgere solo una parte di quel processo chimico.

Questa differenza rappresentava un enigma. I due enzimi apparivano sostanzialmente simili e contenevano molti degli stessi componenti chimici, eppure uno si comportava come una macchina multifunzionale per la trasformazione degli steroidi, mentre l’altro aveva capacità molto più limitate. Per risolvere quell’enigma era necessario guardare oltre i geni e osservare il movimento delle molecole.

Osservare la chimica in azione

Ad Auburn, il gruppo di Bernardi ha generato modelli tridimensionali di DirA e DirB e ha utilizzato simulazioni molecolari per seguire ciò che accadeva quando le molecole di steroidi entravano in ciascun enzima. Anziché trattare le proteine come strutture fisse, i ricercatori hanno creato filmati atomici che mostravano gli enzimi flettersi, gli steroidi ruotare e le molecole circostanti spostarsi nel tempo.

Quel movimento è essenziale per comprendere come funzionano gli enzimi. Una molecola non reagisce semplicemente perché si inserisce all’interno di una proteina. La parte corretta della molecola deve anche trovarsi di fronte alla parte corretta dell’enzima alla giusta distanza e con la giusta angolazione. Uno steroide può rimanere saldamente legato all’interno di un enzima ed essere comunque chimicamente inutile se è orientato nella direzione sbagliata.

Le simulazioni condotte ad Auburn hanno rivelato che DirA presenta una tasca ampia e aperta che offre allo steroide lo spazio per muoversi e riposizionarsi. Questa flessibilità consente a diverse parti dello steroide di avvicinarsi al meccanismo catalitico dell’enzima durante le diverse fasi del percorso che porta dal DHEA al testosterone. DirB, al contrario, presenta un tunnel interno molto più stretto. Lo steroide può entrare e rimanere all’interno, ma lo spazio ristretto spesso lo lascia capovolto o disallineato, con la porzione che deve reagire rivolta nella direzione opposta al meccanismo catalitico.

«A questa scala, la chimica dipende dalla coreografia», ha affermato Bernardi. «Lo steroide deve trovarsi nel posto giusto, rivolto nella direzione giusta, al momento giusto. Un enzima gli offre lo spazio per farlo. L’altro no».

Quella differenza relativamente semplice nell’architettura molecolare ha spiegato i risultati sperimentali. DirA era in grado di supportare un’ampia gamma di reazioni perché lo steroide aveva spazio sufficiente per ruotare e presentare diverse parti di sé all’enzima. DirB poteva eseguire solo quelle reazioni compatibili con la sua tasca più ristretta.

Raissa Rosa, dottoranda nel gruppo di Bernardi, ha condotto gli studi computazionali e sviluppato i modelli catalitici in collaborazione con Bernardi. I ricercatori di Auburn hanno combinato la modellazione proteica basata sull’intelligenza artificiale con simulazioni atomo per atomo, utilizzando un software che il gruppo di Bernardi ha contribuito a sviluppare.

«Una struttura statica può mostrarci che una molecola si inserisce all’interno di una proteina», ha affermato Rosa. «Le simulazioni ci indicano se essa possa raggiungere l’orientamento preciso necessario per la reazione e se tale disposizione rimanga stabile. In questo caso, quei movimenti hanno contribuito a spiegare perché i due enzimi si comportino in modo così diverso».

Una nuova sfida per la ricerca sul cancro alla prostata

Il testosterone e altri androgeni sono essenziali per il normale sviluppo e funzionamento della prostata, ma possono anche favorire la crescita di molti tumori alla prostata attivando il recettore degli androgeni. Per questo motivo, le terapie per il cancro alla prostata in stadio avanzato mirano spesso a sopprimere la produzione di androgeni o a bloccare la segnalazione androgenica.

La scoperta che un batterio urinario possa generare testosterone solleva una nuova domanda: il metabolismo microbico potrebbe contribuire a creare un ambiente androgenico in prossimità della prostata? Il presente studio non risponde a questa domanda. Dimostra semplicemente che il batterio possiede la capacità biochimica di produrre testosterone in condizioni di laboratorio. I ricercatori devono ancora determinare se tale via metabolica sia attiva all’interno del corpo umano, quanta quantità di androgeni i batteri potrebbero produrre in quel contesto, se tali molecole raggiungano i tessuti circostanti e se abbiano un effetto misurabile sulla biologia della prostata.

Ciononostante, la scoperta fornisce agli scienziati geni ed enzimi specifici da studiare. I ricercatori possono ora cercare i geni dirA e dirB nei set di dati sul microbioma urinario, determinarne la diffusione ed esaminare se la loro presenza sia associata a differenze nei livelli ormonali urinari, nelle condizioni della prostata o nelle risposte al trattamento.

«Il passo successivo è passare dalla capacità molecolare alla rilevanza fisiologica», ha affermato Bernardi. «Ora comprendiamo come gli enzimi batterici possano mettere in atto la reazione chimica. La questione più ampia è se tale reazione abbia un effetto significativo nel complesso ambiente del corpo umano».

Questo lavoro potrebbe avere implicazioni anche al di là della ricerca sulla prostata. Gli steroidi presenti nell’urina vengono misurati nella ricerca medica e nella diagnostica, nonché nei test per individuare sostanze dopanti. Se i microrganismi sono in grado di trasformare tali composti all’interno delle vie urinarie, il metabolismo microbico potrebbe alla fine diventare un altro fattore che gli scienziati dovranno considerare nell’interpretazione dei profili degli steroidi urinari.

Lo studio ha integrato campioni provenienti da pazienti, colture batteriche, sequenziamento genomico, chimica analitica, biochimica proteica e biofisica computazionale. Il lavoro sperimentale ha dimostrato che il batterio è in grado di produrre testosterone e ha identificato i geni coinvolti. Il lavoro computazionale ha poi rivelato perché gli enzimi codificati da quei geni presentassero capacità diverse.

«Nessuna tecnica da sola avrebbe potuto fornire il quadro completo», ha affermato Bernardi. «Gli esperimenti hanno individuato la via biologica, mentre le simulazioni hanno rivelato le basi fisiche delle attività enzimatiche. Insieme, ci hanno permesso di passare dall’osservazione della produzione di testosterone alla comprensione di come essa avvenga».

Lo studio ha riunito ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, dell’Auburn University, della Virginia Commonwealth University e del Carle Foundation Hospital. Bernardi ha guidato il contributo di Auburn nel campo della biologia strutturale computazionale, mentre Rosa ha condotto gli studi computazionali e sviluppato i modelli catalitici. Bernardi è a capo del Gruppo di Biofisica Computazionale dell’Università di Auburn, ed entrambi i ricercatori sono affiliati al Dipartimento di Fisica e al Dipartimento di Chimica e Biochimica dell’università.