Newswise — Naukowcy z Narodowego Laboratorium Oak Ridge w Departamencie Energii potwierdzili, że wirusy zabijające bakterie, zwane bakteriofagami, stosują podstępną taktykę, atakując swoich gospodarzy: używają standardowego kodu genetycznego podczas inwazji na bakterie, a następnie przełączają się na alternatywny kod na późniejszych etapach infekcja.

Ich badania dostarczają kluczowych informacji na temat cyklu życiowego fagów. Może to być kluczowy krok w kierunku rozwoju nowych technologii, takich jak terapeutyki ukierunkowane na ludzkie patogeny lub metody kontrolowania interakcji fag-bakteria w zastosowaniach od produkcji roślinnej po sekwestrację węgla.

Naukowcy przewidywali od połowy lat 90., że niektóre organizmy mogą używać alternatywnego kodu genetycznego, ale procesu tego nigdy nie zaobserwowano eksperymentalnie na fagach. Badacze z ORNL uzyskali pierwszą eksperymentalną walidację tej teorii przy użyciu niehodowanych fagów w próbkach ludzkiego kału i laboratoryjnej wysokosprawnej spektrometrii mas, aby ujawnić zawiłości ekspresji białek fagowych w organizmie gospodarza. Praca jest szczegółowo opisana w Komunikacja natury.

„Fagi mogą być głównymi czynnikami napędzającymi zmiany w ekosystemie” – powiedziała Samantha Peters, badaczka ze stopniem doktora w Wydziale Nauk Biologicznych ORNL, która pomogła zaprojektować i przeprowadzić eksperymenty. Wiadomo, że fagi wywracają życie bakterii w różnych systemach środowiskowych, zabijając aż 20% bakterii każdego dnia. Ale niewiele wiadomo na temat ich roli w środowiskach, takich jak mikrobiom jelitowy człowieka lub w glebie, powiedziała.

Naukowcy potwierdzili, że fagi przekształcają sygnał kodujący genom, który zwykle wstrzymuje produkcję białka, aby zamiast tego wyrażać całkowicie inny aminokwas, taki, który wspiera replikację faga. Ta zmiana kodu pozwala fagowi przejąć procesy biologiczne bakterii.

„Te fagi używają standardowego kodu genetycznego na wczesnym etapie infekowania bakterii, takiego, który jest kompatybilny z gospodarzem bakteryjnym” – powiedział Peters. „Kiedy fagi zostaną zintegrowane z gospodarzem, przejmują kontrolę nad maszynerią i zaczynają pompować białka faga”. W późnym stadium infekcji bakteria gospodarza nie jest w stanie zaprzestać produkcji fagów i umiera.

„To trochę jak zabawa w kotka i myszkę, gdy fag atakuje, napotyka obronę bakteryjnego gospodarza, a następnie zmienia kodowanie” – powiedział Robert Hettich, który kierował pracami ORNL i kieruje grupą laboratorium ds. bioanalitycznej spektrometrii mas. Wykorzystując zaawansowane technologie analityczne do pomiaru i badania funkcji białek w społeczności, zespół ORNL odkrył ponad 100 różnych peptydów, czyli genetycznych bloków budulcowych, wyrażających taktykę zmiany kodu.

Rozpoznanie tej zmiany w alternatywnym kodzie genetycznym pomaga upewnić się, że założenia naukowców dotyczące struktury i funkcji białek faga są prawidłowe, powiedział Hettich. W przeciwnym razie fagi mogą nie zostać dokładnie zidentyfikowane.

Zrozumienie kodu genetycznego faga może prowadzić do wglądu w przejście między momentem, w którym atakuje bakterię i milczy, a momentem, w którym decyduje się zostać drapieżnikiem. „Alternatywne kodowanie może dostarczyć kluczowej informacji o tym, jak ten przełącznik zmienia się w fagu” – powiedział Hettich.

Odkrycia rodzą również pytanie, czy naukowcy mogliby zastosować alternatywne kodowanie, aby osiągnąć pożądane wyniki za pomocą inżynierii genetycznej. „Czy możesz wykorzystać to alternatywne kodowanie z biologią syntetyczną, aby zbudować inny rodzaj białka? Ta informacja sugeruje tę zdolność” – powiedział Hettich.

Richard Giannone z ORNL był częścią zespołu badawczego wraz z Jillian Banfield z Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California-Berkeley, Adairem Borgesem z UC Berkeley i Michaelem Morowitzem z University of Pittsburgh School of Medicine.

Projekt był wspierany przez grant z National Institutes of Health, program stypendialny Basic Research Fellowship UC Berkeley oraz projekt rozwoju siły roboczej Instytutu Innowacji Oak Ridge University of Tennessee.

UT-Battelle zarządza ORNL dla Biura Naukowego Departamentu Energii, największego sponsora badań podstawowych w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych. Biuro Nauki pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie energy.gov/science.