Kiedy najskuteczniejszą obroną jest strategiczna śmierć. O metodzie SPARDA, nowej kuzynce CRISPR

Przed paroma tygodniami chińscy naukowcy opisali w „Nature Communications" strukturę nowo odkrytego systemu obrony bakterii przed wirusami. Mechanizm o nazwie SPARDA to samobójcza strategia. Gdy bakteria rozpozna zagrożenie, ulega samozniszczeniu, aby zatrzymać rozprzestrzenianie się infekcji w kolonii. Mechanizm jest bardzo prosty. Po rozpoznaniu wirusowego DNA specjalne enzymy komórkowe przecinają każdy rodzaj DNA, zarówno wirusa, jak i własnej bakterii. Pojedyncze komórki giną, ale infekcja nie rozprzestrzenia się na sąsiednie komórki. To nie altruizm, tylko przykład jednej z wielu automatycznych reakcji obronnych, ukształtowanych ewolucyjnie podczas trwającej od miliardów lat walki bakterii z wirusami.

Kilka z nich zmieniło historię biotechnologii. Choćby mechanizm CRISPR-Cas9 – opisany w 2012 r. (Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier otrzymały za to Nagrodę Nobla z chemii). Jego mechanizm opiera się na współdziałaniu dwóch elementów. Pierwszym jest fragment RNA, którego zadaniem jest wskazanie konkretnego celu na DNA. Drugim jest białko Cas9, które we wskazanym miejscu dokonuje precyzyjnego przecięcia struktury DNA. Naukowcy zauważyli, że gdyby udało się ten naturalny system przeprogramować do cięcia DNA w dowolnie wybranym miejscu, otworzyłby nowe możliwości w biologii molekularnej.

Już w 2019 r. CRISPR przetestowano po raz pierwszy na człowieku, dokonując edycji genów ex vivo, czyli poza organizmem, w pobranych z krwi komórkach chorych pacjentów, które następnie wstrzyknięto im z powrotem. W grudniu 2023 r. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła terapię genową Casgevy w leczeniu dwóch chorób genetycznych krwi: sierpowatości krwinek i beta-talasemii. To niezwykłe tempo w porównaniu z innymi terapiami genowymi, których testowanie trwa zwykle 10-20 lat.

Ewolucyjny majstersztyk

To jednak nie jedyne narzędzie przyrody, które badacze przenieśli do laboratoriów. W latach 70. XX w. odkryli enzymy restrykcyjne, czyli kolejny rodzaj białek, którymi bakterie tną DNA fagów – wirusów zakażających bakterie. Stały się one fundamentem genetyki molekularnej, umożliwiając klonowanie genów, sekwencjonowanie genomów.

Fagi nie pozostają jednak wobec tych strategii całkowicie bezbronne. Ich endoolizyny to enzymy, które rozpuszczają ścianę komórkową bakterii, umożliwiając uwolnienie namnożonych wirusów z zainfekowanej komórki i rozprzestrzenianie infekcji. Dziś naukowcy testują te białka jako alternatywę dla antybiotyków w walce z opornymi superbakteriami.

Interferony to z kolei białka, które zainfekowane wirusem komórki eukariotyczne (np. zwierzęce, roślinne) wysyłają jako sygnał alarmowy do sąsiednich komórek, regulując odpowiedź immunologiczną organizmu. Ich syntetyczne formy wykorzystuje się do leczenia czerniaków i wirusowego zapalenia wątroby typu C.

Na tej liście pojawiły się w ostatnich latach kolejne trzy nowe systemy obrony: SPARTA (Short Prokaryotic Argonaute with TIR domain), SPARSA (Short Prokaryotic Argonaute with Sir2 domain) i najbardziej złożony – SPARDA (Short Prokaryotic Argonaute with DNase/RNase-associated domain).

Wszystkie trzy systemy chronią bakterie przed fagami poprzez radykalne poświęcenie pojedynczej komórki dla bezpieczeństwa całej kolonii. Ich podstawę stanowią białka zwane Argonaute. Jest to rodzina enzymów obecna na wszystkich szczeblach ewolucji, od bakterii przez grzyby po rośliny i zwierzęta, której nazwa pochodzi od mitologicznych argonautów. A to dlatego, że białkowi „argonauci” w komórce „szukają” fragmentów obcego, wirusowego materiału genetycznego. Jednocześnie termin nawiązuje do żeglarka argo (Argonauta argo), głowonoga, którego rozgałęzione ramiona przypominają strukturę tych białek.

W komórkach eukariotycznych rola Argonaute jest znana (wyciszają niepotrzebne geny), u bakterii jednak przez długi czas pozostawała tajemnicą. Dziś już wiemy, że to dzięki nim komórka bakteryjna może, w ramach ekstremalnej strategii obronnej przed wirusami, popełnić immunologiczne „samobójstwo”.

W 2024 r. zespół dr Marii Prostovej z Instytutu Biologii Genu Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie jako pierwszy wyjaśnił ogólny mechanizm SPARDA w publikacji w „Nature Microbiology”. Dowiódł, że systemy oparte na białkach Argonaute zabijają komórkę po rozpoznaniu zagrożenia – podobnie jak białka Cas. Takie rozwiązanie, choć drastyczne, hamuje rozprzestrzenianie się infekcji. Prostova wykazała, że jest to precyzyjna reakcja, w której pojedyncze ofiary ratują całą kolonię. To była pierwsza warstwa wyjaśnienia.

Przełącznik molekularny

Drugą dostarczył w listopadzie 2025 r. zespół dr Mindaugasa Zaremby z Uniwersytetu Wileńskiego. W „Cell Research” opublikował wyniki badania wyjaśniającego, jak działa SPARDA na poziomie molekularnym. Korzystając z modelu sztucznej inteligencji AlphaFold, odkrył biologiczny przełącznik, nazwany beta-relay, który kontroluje aktywację systemu.

Badacze umieścili system SPARDA w modelowych komórkach Escherichia coli i zaobserwowali, że pewien obszar białek Argonaute zmienia kształt, gdy rozpozna obce DNA. Umożliwia to białkom łączenie się w długi, spiralny łańcuch. Dopiero w tej formie nukleazy – enzymy tnące kwasy nukleinowe – mogą się uaktywnić, przecinając wszystkie napotkane DNA i hamując rozprzestrzenianie infekcji. Beta-relay przechodzi z pozycji „wyłączony” na „włączony”. Gdyby go nie było, DNA bakterii byłoby stale narażone na zniszczenie, co byłoby katastrofalne dla komórki. AlphaFold potwierdził obecność tych samych przełączników w innych bakteryjnych białkach Argonaute, sugerując, że to uniwersalny mechanizm działania całej rodziny systemów na nich opartych.

Zaledwie dwa miesiące później, w styczniu 2026 r., zespół z Xiamen University w Chinach pod kierunkiem Wanyue Zhang opublikował wspomnianą, jeszcze bardziej szczegółową analizę. Wykorzystał krioelektronową mikroskopię, czyli technikę pozwalającą zobaczyć struktury białek z prawie atomową rozdzielczością.

Badacze wykazali, że gdy przełącznik jest w pozycji „wyłączony”, SPARDA istnieje jako dimer, czyli para połączonych białek, które „trzymają się za ręce”. Gdy jednak rozpozna zakaźne DNA, dimer rozpada się na pojedyncze białka, a one zaczynają łączyć się ze sobą w podłużny filament (włókno molekularne). Ta analiza potwierdziła odkrycia Zaremby z listopada, ale na poziomie strukturalnym.

Naukowcy zauważyli także, że nukleazy grupują się w czwórki, co umożliwia im skoncentrowanie się w jednym obszarze i jednoczesne, koordynowane cięcie DNA. Zespół Zhanga pokazał, że powstanie struktury filamentu jest absolutnie konieczne do aktywacji nukleaz. Bez niego pozostają rozproszone i nieaktywne.

Choć CRISPR i SPARDA chronią bakterie przed wirusami, realizują to za pomocą fundamentalnie różnych strategii ewolucyjnych. CRISPR to mechanizm adaptacyjny. Bakterie uczą się z poprzednich ataków fagów, zapisując ich sekwencje i przygotowując odpowiedź na przyszłe infekcje. SPARDA natomiast to system „wrodzony” (nieadaptacyjny) w tych jednokomórkowcach, które go posiadają.

Kolejną różnicą jest specyficzność. CRISPR-Cas wymaga sekwencji PAM (protospacer adjacent motif), swoistych kodów dostępu na DNA wirusa. Ta precyzja czyni CRISPR bardzo dokładnym, ale ogranicza jego elastyczność. SPARDA nie potrzebuje takich kodów. Gdy rozpozna obce DNA, atakuje niezależnie od sekwencji – co otwiera drzwi do szerokich zastosowań praktycznych, wykraczających poza ograniczenia CRISPR.

Czynnik antykryzysowy

Zaremba wskazuje na diagnostykę jako pierwsze praktyczne zastosowanie SPARDA. Jego zespół opracowuje wykorzystującą ją platformę, która byłaby bardziej czuła, szybsza i prostsza niż obecne rozwiązania. Prostova widzi potencjał SPARDA również w edycji genomu bakteryjnego. Uważa, że gdyby zaprogramować te systemy do rozpoznawania niezmodyfikowanego DNA, mogłyby promować pozytywną selekcję komórek niosących pożądane modyfikacje.

Kolejnym obiecującym zastosowaniem SPARDA jest terapia fagowa, zyskująca na znaczeniu w obliczu globalnego kryzysu antybiotykooporności (WHO szacuje, że jego bezpośrednim efektem jest 1,27 mln zgonów w 2019 r., a pośrednim – 4,95 mln). Bakterie bowiem stają się oporne na antybiotyki poprzez modyfikacje genetyczne, które mogą rozprzestrzeniać się między szczepami.

Wspomniana terapia wykorzystuje naturalnych wrogów bakterii, wirusy fagowe, do precyzyjnego niszczenia patogenów. Ich zaletą jest wysoka swoistość, ponieważ każdy fag atakuje konkretny szczep bakterii, co minimalizuje negatywny wpływ na pożyteczne bakterie mikrobiomu. Ograniczeniami są ryzyko odporności bakterii na fagi oraz immunogenność (organizm może neutralizować fagi przed ich działaniem).

Odkrycie SPARDA daje naukowcom wgląd w to, jak działa jeden z ważnych mechanizmów obronnych bakterii. Może pomóc w przewidywaniu oporności bakterii na fagi i opracowywaniu dostosowanych strategii terapeutycznych wobec konkretnych patogenów.

Ukryty potencjał

Do praktycznego wykorzystania SPARDA jeszcze długa droga. Dotychczasowe eksperymenty były prowadzone wyłącznie w pełni kontrolowanym środowisku laboratoryjnym, nie na żywych zwierzętach ani tym bardziej na człowieku.

Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Czy system będzie bezpieczny dla ludzkiego organizmu? Czy białka Argonaute nie będą atakować DNA naszych własnych komórek? Czy można go dostać do właściwych tkanek? Ile czasu potrwa przejście z laboratorium do pierwszych prób klinicznych? A gdy dojdzie do próby przełożenia mechanizmu na praktyczne zastosowanie, pojawią się kolejne pytania.

Odkryć podobnych do SPARDA może być wkrótce więcej – bo ponownie rośnie zainteresowanie systemami obronnymi bakterii. W ciągu ostatnich kilku lat odkryto ponad 200 ich typów, a każdy z nich może mieć wiele wariantów. To magiczna skrzynka narzędzi – uważa dr Prostova. Dr Zaremba dodaje zaś, że same tylko restrykcyjne endonukleazy i nukleazy CRISPR-Cas zrewolucjonizowały inżynierię genetyczną i edycję genomu. Jaki potencjał może kryć się w nowych, jeszcze niezbadanych systemach obronnych?