Wielkie bakteriofagi mogą wskazać, jak pokonać bakterie

Antybiotyki weszły do powszechnego użytku podczas II wojny światowej i zrewolucjonizowały leczenie chorób wywoływanych przez bakterie. Jednak bakterie stają się coraz bardziej oporne na te leki. Jak prognozują eksperci, do 2050 roku oporne na leczenie bakterie mogą zabijać 10 milionów ludzi rocznie.

Tymczasem wirusy zwane bakteriofagami z powodzeniem pokonują mechanizmy ochronne bakterii już od setek milionów lat.

Naukowcy z University of California w San Diego (USA) przeprowadzili badania (DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05013-4) nad tak zwanymi gigantycznymi bakteriofagami (po angielsku „Jumbo Phages”), zwłaszcza nad 201phi2-1, który infekuje bakterie Pseudomonas chlororaphis.

Większość fagów zakażających bakterie Pseudomonas ma genomy mniejsze niż 100 000 par zasad, natomiast genomy fagów gigantycznych - ponad 200 000 par zasad.

Wielki genom wymaga odpowiednio skutecznej ochrony. Wcześniejsze badania wykazały, że wirusy te osłaniają go swego rodzaju białkową tarczą. Tak osłonięty materiał genetyczny przypomina jądro komórkowe eukariontów – czyli organizmów, do których należą zarówno pierwotniaki, jak i rośliny, zwierzęta i ludzie.

Do niedawna naukowcy uważali, że osłonięcie materiału genetycznego i oddzielenie go od wnętrza pojawiło się w toku ewolucji tylko raz - właśnie u eukariontów. W przypadku prokariontów (czyli głównie bakterii) – nieosłonięty materiał genetyczny po prostu unosi się wewnątrz komórki.

W większości przypadków bateriofagi przyczepiają się do komórki bakteryjnej i wstrzykują swój materiał genetyczny do jej wnętrza, gdzie unosi się w cytoplazmie. Pozwala to przechwycić siły wytwórcze komórki i produkować liczne kopie bakteriofaga. Gigantyczne bakteriofagi tuż po wprowadzeniu materiału do bakterii otaczają jednak swoje DNA osłoną.

"To inny rodzaj przegrody – niepodobny do niczego, co kiedykolwiek widzieliśmy w naturze” – powiedziała biofizyk z University of California w San Diego, Elizabeth Villa.

Taka fizyczna przegroda chroni wirusowe DNA przed unieszkodliwieniem przez bakteryjny system obronny CRISPR i inne enzymy (nawiasem mówiąc CRISPR to ten sam system, który naukowcy wykorzystują do modyfikowania genomu).

Jak wykazały dokładne analizy metodą mikroskopii krioelektronowej i tomografii, osłona składa się z tylko jednego rodzaju białka. Nazwano je chimaliną – od Chīmalli, bogato zdobionej tradycyjnej tarczy, której używali wojownicy Azteków.

Korzystając z modelu komputerowego, naukowcy odkryli, że osłaniająca DNA faga tarcza pozwala cząsteczkom selektywnie przechodzić przez maleńkie pory. Podobnie jest w przypadku błony otaczającej jądro komórkowe eukariontów – byłby to zatem przykład zbieżnej ewolucji – czyli niezależnego rozwiązania tego samego problemu biologicznego przez dwa niespokrewnione organizmy.

„Por jądrowy u eukariontów jest ogromną, złożoną strukturą z bardzo charakterystycznymi sposobami zatrzymywania większości białek, ale w szczególności importowania innych. To, na co prawdopodobnie patrzymy przypadku gigantycznego faga, jest znacznie prostszą metodą rozwiązania tego samego problemu – wyjaśnia biochemik Kevin Corbett. - To niezwykle kreatywne rozwiązanie – podobne, ale prostsze – do ochrony genomu przed światem zewnętrznym poprzez zbudowanie ściany, która oddzieli go od obrony bakteryjnej”.

Intrygującą i na razie niewyjaśnioną cechą obecnej u faga osłony jest jej zdolność do wzrostu w miarę replikacji genomu faga. Naukowcy podejrzewają, że osłona prawdopodobnie pęka, aby umożliwić dołączenie do niej większej liczby jednostek chimaliny, które są wytwarzane podczas infekcji.

„Teraz, gdy wiemy, że niektóre fagi mają osłonę, możemy dać ją innym fagom i stworzyć 'superfagi', które są lepsze w terapii fagowej i pokonywaniu bakteryjnych mechanizmów obronnych” – mówi biolog komórkowy Joe Pogliano.

„Pierwszym krokiem w tym procesie jest zrozumienie struktury białka chimalinowego, które tworzy osłonę, co jest jednym z powodów, dla których ta praca jest tak ważna” - dodaje.

Terapia fagowa jest już stosowana do skutecznego leczenia pacjentów zakażonych superbakteriami. Być może dzięki niej uda się także korygować nieprawidłowe mikrobiomy jelitowe. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/