Старые трюки для новых задач: доисторические вирусы могут защищать бактериальные клетки

от

Бактерии на протяжении миллиардов лет ведут непрекращающуюся борьбу с вирусами, эволюционируя и создавая множество защитных механизмов против инфекционных захватчиков. Теперь эти эволюционные адаптации могут предложить человечеству инновационные способы борьбы с вирусами, считает Томас Вуд, профессор химического машиностроения в Пенсильванском государственном университете.

Наблюдения учёных

Вуд и его команда недавно обнаружили ранее незамеченный защитный механизм у бактерий, содержащих чрезвычайно старые, спящие вирусы. Они исследовали этот механизм в клетках, содержащих такие «спящие» защитные элементы, и обнаружили, что он может успешно помогать бактериям защищаться от вирусов.

Исследователи опубликовали свою работу, которая, по словам команды, может быть использована для создания более сильных антивирусных систем в медицинской и пищевой промышленности, в журнале Nucleic Acids Research.

«В последние несколько лет был настоящий всплеск открытий, связанных с антивирусными системами у бактерий, — сказал Вуд, возглавлявший проект. — Антибиотики терпят неудачу, и наиболее вероятной заменой им являются сами вирусы. Однако прежде чем использовать вирусы в качестве замены антибиотикам для лечения инфекций у людей, мы должны понять, как бактерия защищается от вирусной атаки».

Древние спящие вирусы

По словам Вуда, учёным давно известно, что древние спящие вирусы, известные как криптические профаги, внедряют свою генетическую информацию в ДНК бактериальной клетки. Затем клетка может использовать специфические ферменты и белки для остановки новых вирусов — или фагов — от заражения клетки-хозяина.

В этом исследовании команда изучила этот процесс и обнаружила, что рекомбиназа — тип белка, называемый ферментом, который разрезает и соединяет нити ДНК — может реактивно настраивать ДНК клетки для защиты от вирусов, если профаг интегрирован в ДНК бактерии.

Конкретная рекомбиназа, стоящая за этой защитой, известна как PinQ. При обнаружении вируса на клетке фермент способствует генетической мутации, известной как инверсия, которая переворачивает генетическую информацию, обнаруженную в бактерии. Эта инверсия создаёт два новых «химерных белка», или белка, состоящего из перевёрнутой ДНК профага, в определённом месте хромосомы клетки. Регулировка этих белков, известных вместе как Stf, нейтрализует способность вируса приземляться на бактерию и заражать её, защищая от вирусной инфекции.

«Примечательно, что этот процесс фактически производит новые химерные белки, специально из перевёрнутой ДНК — в большинстве случаев, когда вы изменяете ДНК, вы получаете генетические мутации, приводящие к неактивным белкам», — сказал Вуд. «Эти инверсии и адаптации являются явным доказательством того, что это точно настроенная антивирусная система, которая развивалась в течение миллионов лет».

Антибиотикорезистентность

Одним из факторов, способствующих росту распространённости антибиотикорезистентных заболеваний, является чрезмерное назначение антибиотиков, объяснил Вуд. Вирусы предлагают надежду как возможная замена антибиотикам благодаря своей способности специфически нацеливаться и нейтрализовать антибиотикорезистентные штаммы бактерий, вызывающих заболевания у людей, одновременно размножаясь и эволюционируя вместе со своим хозяином.

Понимая и адаптируя этот защитный механизм, облегчаемый рекомбиназой, врачи получат больше возможностей для борьбы с инфекциями, назначая при этом меньше антибиотиков.

Хотя рекомбиназа ранее была идентифицирована вблизи областей бактерий, ответственных за защиту, Вуд сказал, что это первый раз, когда исследователи осознали, что рекомбиназа участвует в защите от вирусов.

«Дело не в том, что исследователи пропустили эти ферменты, они их видели и не заметили их как простые маркеры вирусных генов», — объяснил Вуд. «Чтобы защититься от вирусов, у бактерий должно быть множество различных защитных систем, и это лишь ещё один пример одной из таких систем».

Результаты исследования

Команда протестировала систему, перепроизводя белки Stf в образце бактерий E. coli, к которым затем были добавлены вирусы. Они оставили смесь на ночь, а затем измерили её мутность, чтобы определить, инфицировали ли вирусы бактерии — чем мутнее смесь, тем меньше фагов присутствует.

Команда также использовала компьютерное моделирование для имитации прикрепления вирусов к поверхности бактериальных клеток, процесса, известного как адсорбция, проверяя точность моделирования и измерений, наблюдая за экспериментами.

«Когда мы перепроизводим белок, мы сначала останавливаем вирус от приземления на поверхность клетки, — сказал Вуд. — Однако после восьми экспериментальных итераций вирус изменяет свои белки для посадки — то, как он идентифицирует и прикрепляется к бактериям — и может обойти эту защиту».

Это исследование улучшило понимание командой того, как работают антивирусные системы, сказал Вуд, что может помочь им более эффективно культивировать бактерии, используемые для ферментации таких продуктов, как сыр и йогурт, а также улучшить лечение бактериальных инфекций в медицинских учреждениях.

В будущем Вуд сказал, что команда планирует продолжить исследование антивирусных применений восьми дополнительных профагов, которые в настоящее время находятся в их лаборатории.

«Это история о том, как окаменелость защищает своего хозяина от чужака, и у нас есть ещё 10 историй, связанных с окаменелостями, которые могут предложить свои собственные защитные механизмы, ожидающие тестирования», — сказал Вуд. «Лучшее понимание того, как эти вирусы взаимодействуют с бактериями, даст нам невероятное представление о том, как эффективно и безопасно использовать бактерии в биоинженерии».

Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте