Kiedy fagi śpią
Pomysł, że jednokomórkowe bakterie mogłyby się chronić przed wirusami w sposób zbliżony do działania układu odpornościowego człowieka, liczącego 1,8 bln komórek, biolog molekularny z Johns Hopkins University, Joshua W. Modell, nadal uważa za „kosmiczny”.
Naukowcy odkryli około 20 lat temu, że bakterie wykorzystują adaptacyjny układ obrony o nazwie CRISPR, dzięki któremu mogą rozpoznawać i niszczyć atakujące je wirusy przy ponownym z nimi kontakcie. W przeprowadzonym niedawno badaniu, którego wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Cell Host & Microbe”, Modell wraz ze swoim zespołem pogłębiał wiedzę naukową na temat tego, jak bakterie wykorzystują ten system, aby „uodparniać” się na fagi – wirusy, które próbują je zabić. Wyniki te mogą pomóc w tworzeniu terapii ukierunkowanych na zwalczanie oporności drobnoustrojów, która przyczynia się rocznie do śmierci milionów osób.
System CRISPR pozwala bakteriom na edytowanie własnego kodu genetycznego. Po ekspozycji na wirusa bakteria może wykorzystać specjalny enzym do wytworzenia we własnym genomie nacięć, w które wprowadza małe fragmenty DNA wirusa, tzw. przerywniki (spacery), co ułatwia jej za następnym razem rozpoznanie i zwalczenie tego wirusa. Naukowcy mogą wykorzystywać ten enzym niczym „genetyczne nożyczki”, podrasowując DNA w przeróżnych sytuacjach – od eksperymentów laboratoryjnych po terapie genowe. Wciąż jednak niewiele wiadomo na temat tego, jak ten proces działa u bakterii. „Nazywaliśmy to zjawisko tajemnicą CRISPR, ponieważ nie wiemy, co tak naprawdę dzieje się w środku” – mówi Modell.
Chcąc zrozumieć, w jaki sposób bakterie są w stanie wychwytywać DNA zakażających je wirusów, naukowcy przeprowadzili kontrolowane eksperymenty laboratoryjne z wykorzystaniem bakterii Streptococcus pyogenes i infekujących je fagów. W fazie infekcyjnej większość fagów powoduje natychmiastowe rozerwanie komórki. Proces ten jest nazywany lizą. Jednak w innych okolicznościach wirusy ukrywają się w DNA bakteryjnym i pozostają w trybie uśpienia. Stan ten, nazywany lizogenią, jest bardzo trudny do zbadania.
W warunkach laboratoryjnych Modell i jego zespół zakażali część bakterii fagami, które mogły przejść w stan uśpienia, zaś inne bakterie były zakażane fagami poddanymi inżynierii genetycznej, które zostały zablokowane w stanie aktywnym. Następnie badacze gromadzili komórki, które przeżyły infekcję, i sprawdzali ich kod genetyczny w celu oceny, czy pojawiły się w nim nowe przerywniki, pobrane z DNA wirusów.
Okazało się, że bakterie wbudowywały więcej spacerów od tych patogenów, które mogły przejść w fazę uśpienia. Modell tłumaczy, że w tej fazie ciszy bakterie mają czas na wychwytywanie małych fragmentów DNA wirusa i zachowywanie ich we własnym genomie: „System CRISPR tworzy wspomnienia na podstawie nieaktywnej postaci wirusa, tak samo jak szczepionki”.
W celu potwierdzenia uzyskanych wyników Modell i jego zespół poddawali bakterie mającej przerywniki ponownej ekspozycji na te same fagi i obserwowali, czy nowe genetyczne wspomnienia chroniły bakterie przed zakażeniem. Badacze zaobserwowali, że bakterie S. pyogenes potrafią rozpoznać fagi, wykorzystując te zachowane fragmenty, i odeprzeć ich atak.
Te wyniki są „godne uwagi” – mówi Stan Brouns, mikrobiolog z Delft University of Technology w Holandii, który nie brał udziału w tym badaniu. Zrozumienie interakcji pomiędzy fagami a bakteriami jest kluczem do udoskonalania terapii fagowych, w których naukowcy wykorzystują wirusy do leczenia zakażeń spowodowanych przez bakterie, które rozwinęły oporność na antybiotyki. Ta nowa wiedza może także pomóc badaczom w tworzeniu fagów, na które będą wrażliwe różne typy bakterii wywołujących zakażenia – mówi Rodolphe Barrangou, biolog molekularny z North Carolina State University. Jest on współzałożycielem firmy Locus Biosciences zajmującej się terapią fagami i nie brał udziału w omawianym badaniu.
Różne bakterie mogą wykazywać dowolne z ponad 150 mechanizmów obrony przed fagami. Terapia musi te mechanizmy omijać. Według Barrangou zrozumienie, jak działa ten mechanizm, „zainspiruje ludzi, pracujących nad [bakteriami], do myślenia o terapiach fagowych w szerszym spektrum chorób zakaźnych”.