WOODS HOLE, Mass. — Grupa małych zwierząt słodkowodnych chroni się przed infekcjami, stosując receptury antybiotyków „skradzione” bakteriom — wynika z nowych badań przeprowadzonych przez zespół z Uniwersytetu Oksfordzkiego, Uniwersytetu Stirling i Marine Biological Laboratory (MBL) w Woods Hole.

Te maleńkie stworzenia nazywane są bdelloidowymi wrotkami, co oznacza „pełzające zwierzęta-koła”. Mają głowę, pysk, jelita, mięśnie i nerwy jak inne zwierzęta, choć są mniejsze niż grubość włosa.

Badanie wykazało, że gdy te wrotki są narażone na infekcję grzybiczą, włączają setki genów, które nabyły od bakterii i innych drobnoustrojów. Niektóre z tych genów wytwarzają broń oporności, taką jak antybiotyki i inne środki przeciwdrobnoustrojowe, u wrotków. Zespół przedstawia swoje odkrycia w tym tygodniu w Komunikacja przyrodnicza.

„Kiedy przetłumaczyliśmy kod DNA, aby zobaczyć, co robią skradzione geny, byliśmy zaskoczeni” – powiedział główny autor badania Chris Wilson University of Oxford. „Główne geny były instrukcjami dla substancji chemicznych, których, jak sądziliśmy, zwierzęta nie potrafią wytwarzać — wyglądały jak przepisy na antybiotyki”.

Wcześniejsze badania wykazały, że wrotki pobierały DNA ze swojego otoczenia przez miliony lat, ale nowe badanie jest pierwszym, które odkryło, że wykorzystują te geny przeciwko chorobom. Żadne inne zwierzę nie jest znane z „kradzenia” genów od mikrobów na tak dużą skalę.

„Te złożone geny – z których niektóre nie występują u żadnych innych zwierząt – zostały nabyte od bakterii, ale przeszły ewolucję u wrotków” – powiedział współautor badania David Mark Welch, starszy naukowiec i dyrektor Josephine Bay Paul Center w Marine Biological Laboratory. „To zwiększa prawdopodobieństwo, że wrotki produkują nowe środki przeciwdrobnoustrojowe, które mogą być mniej toksyczne dla zwierząt, w tym dla ludzi, niż te, które wytwarzamy z bakterii i grzybów”.

Przepisy na samoobronę

Antybiotyki są niezbędne dla współczesnej opieki zdrowotnej, ale większość z nich nie została wynaleziona przez naukowców. Zamiast tego są produkowane naturalnie przez grzyby i bakterie w środowisku naturalnym, a ludzie mogą tworzyć ich sztuczne wersje do stosowania jako lekarstwa.

Nowe badanie sugeruje, że wrotki mogą robić coś podobnego.

„Te dziwne małe zwierzęta skopiowały DNA, które mówi mikrobom, jak wytwarzać antybiotyki” – wyjaśnia Wilson. „Obserwowaliśmy, jak używają jednego z tych genów przeciwko chorobie wywołanej przez grzyby, a zwierzęta, które przeżyły infekcję, produkowały 10 razy więcej chemicznej receptury niż te, które zdechły, co wskazuje, że pomaga ona stłumić chorobę”.

Naukowcy sądzą, że wrotki mogą dostarczyć ważnych wskazówek w poszukiwaniach leków do leczenia ludzkich infekcji wywoływanych przez bakterie lub grzyby.

Antybiotyki stają się mniej skuteczne, ponieważ wywołujące choroby drobnoustroje ewoluowały, stając się oporne i nie reagując już na leczenie. Światowa Organizacja Zdrowia niedawno podniosła alarm, ostrzeżenie w raporcie z czerwca „pilnej potrzeby” opracowania nowych antybiotyków w celu przeciwdziałania zagrożeniu opornością.

„Przepisy stosowane przez wrotki różnią się od znanych genów w mikroorganizmach” – powiedział autor badania Reuben Nowell z University of Stirling. „Są równie długie i skomplikowane, ale części kodu DNA uległy zmianie. Uważamy, że receptura została zmieniona w procesie ewolucji, aby wytworzyć nowe i inne substancje chemiczne u wrotków. To ekscytujące, ponieważ może to sugerować pomysły na przyszłe leki”.

Geny, które wrotki nabyły od bakterii, kodują niezwykłą klasę enzymów, które łączą aminokwasy w małe cząsteczki zwane peptydami nierybosomalnymi.

„Kolejna faza tych badań powinna obejmować identyfikację wielu nierybosomalnie syntetyzowanych peptydów wytwarzanych przez wrotki bdelloidalne i ustalenie warunków, w których można indukować syntezę tych związków” – powiedział współautor badania Irina Archipowastarszy naukowiec w Laboratorium Biologii Morskiej.

Jednym z problemów z opracowywaniem nowych leków jest to, że wiele chemikaliów antybiotykowych wytwarzanych przez bakterie i grzyby jest trujących lub ma skutki uboczne u zwierząt. Tylko kilka z nich można przekształcić w leki, które usuwają szkodliwe mikroby z ludzkiego ciała.

Jeśli wrotki wytwarzają już podobne substancje chemiczne w swoich własnych komórkach, może to doprowadzić do powstania leków bezpieczniejszych do stosowania u innych zwierząt, w tym u ludzi.

Dlaczego wrotki nabywają tak wiele obcych genów?

Istotnym pytaniem jest, dlaczego wrotki to jedyne zwierzęta, które w tak dużym stopniu pożyczają przydatne geny od drobnoustrojów.

„Uważamy, że może to mieć związek z innym dziwnym faktem dotyczącym tych wrotków” – powiedział Tim Barracloughwspółautor badania z University of Oxford. „W przeciwieństwie do innych zwierząt, nigdy nie widzimy samców wrotków. Matki wrotków składają jaja, z których wykluwają się genetyczne kopie samych siebie, bez potrzeby seksu lub zapłodnienia”.

Według jednej z teorii zwierzęta, które kopiują się w ten sposób, mogą stać się tak podobne, że zaczyna to być niezdrowe. „Jeśli jedno zachoruje, reszta też” – wyjaśnił Barraclough. Ponieważ wrotki bdelloidalne nie uprawiają seksu, co pozwala na rekombinację genów rodzicielskich w korzystny sposób, genom matki wrotka jest bezpośrednio przenoszony na jej potomstwo bez wprowadzania żadnych nowych zmian.

„Jeśli wrotki nie znajdą sposobu na zmianę swoich genów, mogą wyginąć. To może pomóc wyjaśnić, dlaczego te wrotki pożyczyły tak wiele genów z innych miejsc, zwłaszcza wszystkiego, co pomaga im radzić sobie z infekcjami” – powiedział Barraclough.

Nowell uważa, że ​​jest o wiele więcej do nauczenia się od wrotków i ich skradzionego DNA „Wrotki wykorzystywały setki genów, których nie widać u innych zwierząt. Receptury antybiotyków są ekscytujące, a niektóre inne geny wyglądają, jakby zostały pobrane z roślin. Odkrycia są częścią rozwijającej się historii o tym, jak i dlaczego geny są przenoszone między różnymi rodzajami życia” – powiedział.

###

Ten Laboratorium Biologii Morskiej (MBL) jest poświęcone odkryciom naukowym – badaniu fundamentalnej biologii, zrozumieniu bioróżnorodności morskiej i środowiska oraz informowaniu o kondycji człowieka poprzez badania i edukację. Założona w Woods Hole w stanie Massachusetts w 1888 r. MBL jest prywatną, non-profitową instytucją i podmiotem stowarzyszonym Uniwersytet Chicagowski.