Поскольку мир сталкивается с ростом числа бактерий, устойчивых к антибиотикам, что делает традиционные антибиотики неэффективными, решением проблемы могут стать специфические вирусы.
Вирусы, называемые бактериофагами, или фагами-паразитами, поражают бактерии, но не могут инфицировать людей или другие высшие организмы. Фаги вводят свою ДНК в бактериальную клетку, размножаются в больших количествах, используя ресурсы хозяина, а затем вырываются наружу, чтобы заразить еще больше бактерий поблизости.
По сути, они являются природными, самовоспроизводящимися и специфичными антибиотиками. Обнаруженные более 100 лет назад, они были в значительной степени вытеснены антибиотиками для борьбы с бактериями.
В нашем новом исследовании был рассмотрен один конкретный белок, используемый фагами для обхода естественной защиты бактерий. Мы обнаружили, что этот белок выполняет важную контрольную функцию, связываясь с ДНК и РНК.
Это более глубокое понимание является важным шагом на пути к использованию фагов против бактериальных патогенов в здравоохранении или сельском хозяйстве.
Системы защиты от бактерий
Существуют препятствия на пути использования фагов для борьбы с бактериями. Подобно тому, как наш организм обладает иммунными механизмами для борьбы с вирусами, бактерии также выработали средства защиты от фаговых инфекций.
Одной из таких средств защиты являются “короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками”, или CRISPR, которые в настоящее время более известны благодаря их применению в медицине и биотехнологии. Системы CRISPR в целом действуют как “молекулярные ножницы”, разрезая ДНК на кусочки, будь то в лабораторных условиях или в природе, внутри бактерии, чтобы уничтожить фаг.
Представьте, что вы хотите использовать фаг против бактериальной инфекции, устойчивой к антибиотикам. Единственное, что может помешать этому фагу уничтожить бактерию и искоренить инфекцию, - это защита бактерий с помощью CRISPR, которая делает фаги бесполезными в качестве противомикробных средств.
Именно здесь важно знать как можно больше о противофаговых средствах защиты. Мы исследуем так называемые анти-CRISPR: белки или другие молекулы, которые фаги используют для подавления CRISPR.
Бактерия, обладающая CRISPR, может быть способна предотвратить заражение фага. Но если у фага есть правильный анти-CRISPR, он может нейтрализовать эту защиту и уничтожить бактерию, несмотря ни на что.
Важность анти-CRISPRs
Наше недавнее исследование было сосредоточено на том, как контролируется реакция против CRISPR.
Столкнувшись с мощной защитой от CRISPR, фаги хотят автоматически вырабатывать большое количество анти-CRISPR, чтобы увеличить вероятность подавления иммунитета к CRISPR. Но чрезмерное производство анти-CRISPR препятствует репликации фага и в конечном итоге становится токсичным. Вот почему так важен контроль.
Для достижения такого контроля в арсенале фагов есть еще один белок: анти-CRISPR-ассоциированный (или Aca) белок, который часто встречается наряду с самими анти-CRISPR.
Белки Aca действуют как регуляторы противовоздушной обороны фага. Они следят за тем, чтобы первоначальный всплеск выработки анти-CRISPR, который инактивирует CRISPR, затем быстро снижался до низкого уровня. Таким образом, фаг может направлять энергию туда, где она больше всего необходима: на репликацию и, в конечном счете, на высвобождение из клетки.
Мы обнаружили, что эта регуляция осуществляется на нескольких уровнях. Для получения любого белка последовательность генов в ДНК сначала должна быть преобразована в информационную РНК. Затем она расшифровывается, или транслируется, в белок.
Многие регуляторные белки функционируют путем ингибирования первого этапа (транскрипции в информационную РНК), некоторые другие ингибируют второй этап (трансляцию в белок). В любом случае, регулятор часто действует как своего рода “дорожный блок”, связываясь с ДНК или РНК.
Интригующе и неожиданно то, что исследованный нами белок Aca выполняет и то, и другое, хотя по его структуре можно предположить, что это всего лишь регулятор транскрипции (белок, который регулирует превращение ДНК в РНК), очень похожий на те, которые исследовались десятилетиями.
Мы также рассмотрели, почему необходим такой сверхжесткий контроль на двух уровнях. И снова, похоже, все дело в дозировке анти-CRISPRs, особенно с учетом того, что фаг реплицирует свою ДНК в бактериальной клетке. Такая репликация неизменно приводит к образованию матричных РНК даже при наличии контроля транскрипции.
Таким образом, для контроля выработки анти-CRISPR, по-видимому, требуется дополнительная регуляция. Это возвращает нас к токсичности чрезмерного производства этого защитного белка, к вреду, который наносится, когда “хорошего слишком много”.
Точный контроль
Что означает это исследование в целом? Теперь мы знаем гораздо больше о том, как происходит внедрение анти-CRISPR. Для того чтобы фаг мог успешно бороться с бактерией-хозяином, требуется тщательно отлаженный контроль.
Это важно не только в природе, но и при использовании фагов в качестве альтернативных противомикробных препаратов.
Знание каждой детали о такой малоизвестной вещи, как белки, ассоциированные с CRISPR, может иметь решающее значение для успеха или гибели фага, а также для жизни или смерти не только самого фага, но и человека, инфицированного бактериями, устойчивыми к антибиотикам.
(За исключением заголовка, эта история не редактировалась сотрудниками NDTV и опубликована на синдицированном канале.)
