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Sebbene sia ormai noto che i virus possono operare come unità infettive collettive, contenenti più particelle dirette alla stessa cellula ospite, il mistero circonda i meccanismi di fondo.
Il progetto Vis-a-Vis, sostenuto dall’UE, ha utilizzato la teoria dell’evoluzione sociale per capire in che modo si svolgono le interazioni virali durante i processi di trasmissione e replicazione. La teoria dell’evoluzione sociale esamina il modo in cui i microrganismi collaborano con gli elementi che li circondano per eseguire comportamenti multicellulari, come la formazione di biofilm e il quorum sensing.
«Sebbene questa struttura sia stata applicata con successo ad altri microrganismi, compresi i batteri, siamo stati tra i primi ad applicarla ai virus», spiega Rafael Sanjuán, coordinatore del progetto.
Il progetto ha dimostrato come le unità virali possano essere collaborative, con diverse varianti genetiche che conferiscono proprietà complementari, o possano accelerare l’infezione consegnando più copie di un genoma virale alla stessa cellula.
Ma, cosa fondamentale, si è scoperto che queste unità promuovono anche la comparsa di «virus imbroglioni» che sfruttano i cooperatori, compromettendo la fitness virale complessiva.
Tre virus
Il team di Vis-a-Vis ha lavorato su tre virus: il virus della stomatite vescicolare (VSV), un enterovirus e un baculovirus. Mentre era noto da tempo che i baculovirus si trasmettono insieme nei cosiddetti corpi di occlusione, la trasmissione collettiva non era stata esplorata negli altri due.
Prima del progetto, il team ha studiato la variazione genetica del VSV e ha scoperto le stesse serie di mutazioni in diverse cellule ospiti, suggerendo una trasmissione collettiva. Nello stesso periodo, altri ricercatori hanno scoperto che gli enterovirus possono essere trasmessi sotto forma di grandi gruppi di virioni contenuti in vescicole lipidiche.
«Questo ha innescato il mio interesse per la trasmissione di gruppo e le sue implicazioni per la fitness e l’evoluzione virale», osserva Sanjuán dell’Università di Valencia, sede del progetto. «Scegliendo virus così diversi tra loro (un virus a RNA a filamento negativo, un virus a RNA a filamento positivo e un virus a DNA di grandi dimensioni che infetta gli insetti), speravamo di acquisire conoscenze generali.»
I virus marcati in modo fluorescente sono stati seguiti con la microscopia quantitativa in tempo reale, per misurare l’idoneità dei virioni. Ci si è avvalsi poi dell’evoluzione sperimentale per studiare le conseguenze sulla fitness della trasmissione collettiva dopo molteplici cicli di infezione. Inoltre, il sequenziamento parallelo massivo e la mutagenesi mirata hanno portato all’identificazione di mutazioni responsabili di caratteristiche specifiche, come la trasmissione di enterovirus nelle vescicole.
Pro e contro della coinfezione
Il team ha scoperto che la coinfezione da parte di più virioni accelerava la replicazione precoce del VSV, aiutando il virus a eludere le risposte immunitarie innate, con il risultato di un’infezione più forte. Questo è stato osservato dal team in molti altri virus (tra cui adenovirus, vaccinia virus e virus respiratori sinciziali), suggerendo che la replicazione virale è un processo intrinsecamente cooperativo.
«La coinfezione ha pro e contro per i virus. Se da un lato può accelerare l’infezione, fornendo un vantaggio di fitness rispetto ai virus concorrenti e alle risposte antivirali, dall’altro può produrre «imbroglioni», particelle interferenti difettose. Con la maggior parte dei loro genomi cancellati, queste particelle imbroglione non sono individualmente in grado di infettare le cellule in modo produttivo, ma possono prosperare in cellule coinfettate con un virus funzionale, a scapito di quest’ultimo», aggiunge Sanjuán.
Il team ha utilizzato simulazioni ed esperimenti per dimostrare come un virus difettoso, incapace di contrastare la produzione di interferone, potrebbe danneggiare la capacità trasmissiva dei virus vicini allertando l’ospite dell’infezione, inducendo le cellule non infette a potenziare la propria immunità. I ricercatori hanno scoperto che l’entità dell’infezione compromessa dipende da parametri fisici come la viscosità del mezzo di trasmissione, la motilità delle cellule e la dimensione dei virioni.
In linea con la regola di Hamilton, il team ha anche scoperto che i pool di particelle di enterovirus, trasmessi collettivamente all’interno di vescicole lipidiche, sono inclini a creare legami di «fratellanza», il che tende a prevenire la comparsa di virus imbroglioni.
Promuovere l’evoluzione della virologia
Capire come le interazioni virus-virus influenzino la trasmissione virale e la virulenza aiuta a gettare le basi per nuovi approcci in virologia.
«Recenti evidenze mostrano che i virioni della variante Delta del SARS-CoV-2 spesso si aggregano, il che, secondo la nostra ricerca, potrebbe avere importanti conseguenze sull’infettività virale», afferma Sanjuán. «Siamo orgogliosi del fatto che il nostro approccio abbia ispirato ulteriori ricerche, come ad esempio la possibilità di progettare sinteticamente particelle truffaldine per funzionare come antivirali contro agenti patogeni come l’influenza o la COVID-19.»
Attualmente, come parte di un altro progetto finanziato dall’UE EVADER, il team sta studiando i meccanismi di ingresso utilizzati dai virus zoonotici e i primi risultati suggeriscono che questi potrebbero essere determinati anche dalle interazioni virus-virus.