Nowe badania pokazują, że wirusy mogą działać przeciwko bakteriom opornym na antybiotyki
Nowe badania skupiły się na konkretnym białku wykorzystywanym przez bakteriofagi (reprezentatywnym).
W obliczu rosnącej na świecie liczby bakterii opornych na antybiotyki – co sprawia, że tradycyjne antybiotyki stają się nieskuteczne – rozwiązaniem mogą okazać się konkretne wirusy.
Wirusy zwane bakteriofagami lub fagami atakują bakterie, ale nie mogą zarażać ludzi ani innych wyższych organizmów. Fagi wstrzykują swoje DNA do komórki bakteryjnej, rozmnażają się w dużych ilościach, wykorzystując zasoby gospodarza, a następnie wybuchają, aby zarażać więcej bakterii w pobliżu.
Zasadniczo są one naturalnie występującym, samoreplikującym się i specyficznym antybiotykiem. Odkryte ponad 100 lat temu, ich stosowanie przeciwko bakteriom zostało w dużej mierze odsunięte na bok na rzecz antybiotyków.
Nasze nowe badania skupiły się na jednym konkretnym białku używanym przez fagi do omijania naturalnych mechanizmów obronnych bakterii. Odkryliśmy, że białko to ma istotną funkcję kontrolną poprzez wiązanie się z DNA i RNA.
Ta lepsza wiedza stanowi ważny krok w kierunku wykorzystania fagów w walce z patogenami bakteryjnymi w ochronie zdrowia ludzi i rolnictwie.
Systemy obrony bakteryjnej
Istnieją przeszkody w stosowaniu fagów do atakowania bakterii. Podobnie jak nasze ciała mają mechanizmy odpornościowe do zwalczania wirusów, bakterie również rozwinęły obronę przed infekcjami fagowymi.
Jedną z takich obron są „zgrupowane regularnie przeplatane krótkie palindromiczne powtórzenia”, czyli CRISPR, obecnie lepiej znane ze swoich zastosowań w medycynie i biotechnologii. Systemy CRISPR ogólnie działają jak „molekularne nożyczki”, tnąc DNA na kawałki, czy to w warunkach laboratoryjnych, czy w naturze, wewnątrz bakterii, aby zniszczyć faga.
Wyobraź sobie, że chcesz użyć faga przeciwko infekcji bakteryjnej opornej na antybiotyki. Jedyną przeszkodą, która stoi na drodze fagowi do zabicia bakterii i wyeliminowania infekcji, może być obrona CRISPR bakterii, która czyni fagi bezużytecznymi jako środki przeciwdrobnoustrojowe.
Tutaj ważne jest, aby wiedzieć jak najwięcej o kontrobronach fagów. Badamy tak zwane anty-CRISPR: białka lub inne cząsteczki, których fagi używają do hamowania CRISPR.
Bakteria, która ma CRISPR, może powstrzymać faga przed infekcją. Ale jeśli fag ma odpowiedni anty-CRISPR, może zneutralizować tę obronę i zabić bakterię niezależnie od tego.
Znaczenie anty-CRISPR-ów
Nasze ostatnie badania skupiły się na tym, w jaki sposób kontrolowana jest odpowiedź anty-CRISPR.
W obliczu silnej obrony CRISPR fagi chcą automatycznie produkować duże ilości anty-CRISPR, aby zwiększyć szansę na zahamowanie odporności CRISPR. Jednak nadmierna produkcja anty-CRISPR zapobiega replikacji faga i ostatecznie jest toksyczna. Dlatego kontrola jest ważna.
Aby osiągnąć tę kontrolę, fagi mają w swoim arsenale jeszcze jedno białko: białko anty-CRISPR-associated (lub Aca), które często występuje obok samych anty-CRISPR.
Białka Aca działają jako regulatory kontrobrony faga. Upewniają się, że początkowy wybuch produkcji anty-CRISPR, który dezaktywuje CRISPR, jest następnie szybko tłumiony do niskich poziomów. W ten sposób fag może przydzielić energię tam, gdzie jest najbardziej potrzebna: do replikacji i ostatecznie do uwolnienia z komórki.
Odkryliśmy, że regulacja ta zachodzi na wielu poziomach. Aby wyprodukować jakiekolwiek białko, sekwencja genu w DNA musi najpierw zostać przepisana na informacyjny RNA. Następnie jest ona dekodowana lub tłumaczona na białko.
Wiele białek regulacyjnych działa poprzez hamowanie pierwszego etapu (transkrypcji do mRNA), inne hamują drugi etap (translację do białka). Tak czy inaczej, regulator często działa jak swego rodzaju „blokada drogowa”, wiążąc się z DNA lub RNA.
Co intrygujące i niespodziewane, badane przez nas białko Aca spełnia oba te kryteria – chociaż jego struktura sugerowałaby, że jest ono jedynie regulatorem transkrypcji (białkiem regulującym konwersję DNA na RNA), bardzo podobnym do białek badanych od dziesięcioleci.
Zbadaliśmy również, dlaczego ta wyjątkowo ścisła kontrola na dwóch poziomach jest konieczna. Ponownie, wydaje się, że chodzi o dawkowanie anty-CRISPR, zwłaszcza gdy fag replikuje swoje DNA w komórce bakteryjnej. Ta replikacja niezmiennie prowadzi do produkcji mRNA nawet w obecności kontroli transkrypcyjnej.
Dlatego wydaje się, że konieczne są dodatkowe regulacje, aby ograniczyć produkcję anty-CRISPR. Wracamy do toksyczności nadmiernej produkcji tego białka kontrobrony, do szkody wyrządzonej, gdy jest „za dużo czegoś dobrego”.
Precyzyjna kontrola
Co te badania oznaczają w wielkim schemacie rzeczy? Teraz wiemy znacznie więcej o tym, jak następuje wdrożenie anty-CRISPR. Wymaga to precyzyjnej kontroli, aby fag mógł odnieść sukces w walce z bakterią gospodarza.
Jest to istotne w środowisku naturalnym, ale także w kontekście stosowania fagów jako alternatywnych środków przeciwdrobnoustrojowych.
Znajomość każdego szczegółu na temat czegoś tak niejasno brzmiącego jak białka anty-CRISPR może mieć decydujące znaczenie dla powodzenia lub porażki faga — a także dla życia lub śmierci, nie tylko dla faga, ale także dla osoby zakażonej bakteriami opornymi na antybiotyki.
Nils Birkholz, adiunkt w dziedzinie mikrobiologii molekularnej, Uniwersytet Otago
Ten artykuł jest przedrukowywany z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.
(Poza nagłówkiem, artykuł ten nie był edytowany przez zespół NDTV i został opublikowany za pośrednictwem kanału syndykowanego.)
