Исследование, проведенное специалистами Медицинского института Джона Хопкинса, показывает, что бактерии не просто пассивно защищаются от вирусов-бактериофагов. Бактерии активно собирают фрагменты вирусного кода, чтобы запомнить своих врагов.
Как бактерии готовятся к атаке неизвестного вируса: они используют «вакцину»
Исследование, проведенное специалистами Медицинского института Джона Хопкинса, показывает, что бактерии не просто пассивно защищаются от вирусов-бактериофагов. Бактерии заранее активно собирают фрагменты вирусного кода, чтобы запомнить своих врагов. Эти воспоминания они передают своим потомкам. Понимание процесса бактериальной памяти может помочь нам разработать новые методы лечения инфекций, устойчивых к антибиотикам.
Атака бактериофагов. Public Domain
Бактерии постоянно борются с угрозами, исходящими от вирусов. Эти вирусы, известные как бактериофаги, поражают бактериальные клетки так же, как человеческие вирусы поражают наши собственные тела, оставляя после себя память о вторжении. Но в отличие от человека, у бактерий нет белых кровяных телец или антител. Вместо этого они используют генетическую систему под названием CRISPR для самозащиты. Эта древняя система защиты теперь привлекает новое внимание ученых.
Эти воспоминания они передают своим потомкам. Понимание процесса бактериальной памяти может помочь нам разработать новые методы лечения инфекций, устойчивых к антибиотикам. Работа опубликована в журнале Cell Host & Microbe.
Что такое бактериофаги
Бактериофаги или просто фаги получили свое название от греческого слова, означающего «пожиратели бактерий». Эти вирусы либо уничтожают своих бактериальных хозяев, либо тихо прячутся внутри них. Эта спокойная фаза называется спячкой. В состоянии покоя вирус не убивает хозяина. Вместо этого он тихо живет внутри бактериальной ДНК.
Исследователи давно задавались вопросом, как бактерии спасаются после первой волны вирусной инфекции, особенно от этих «умеренных» фагов. Ведь при первой атаке бактерии не знают своих врагов и не готовы к защите. Ответ, возможно, кроется в том, как бактерии собирают и хранят генетические фрагменты спящих вирусов. Такое поведение — это не просто выживание, это подготовка к будущему.
Streptococcus pyogenes.
В исследовании Джона Хопкинса ученые сосредоточились на Streptococcus pyogenes, бактерии, вызывающей фарингит. Они обнаружили, что эти бактерии используют преимущества умеренных фагов в их неактивной фазе. Бактерии собирают генетическую информацию от фага, пока он находится в спящем состоянии. Этот материал формирует биологическую «память» о захватчике.
Размножаясь, бактерии передают эту память дальше. Это означает, что будущие поколения рождаются со встроенной системой распознавания. Когда тот же фаг атакует снова, потомки бактерий уже знают, как защищаться.
Бактерии используют CRISPR для сохранения вирусной памяти
Бактерии используют систему CRISPR-Cas для борьбы с фагами. Эта система хранит ДНК предыдущих инфекций. Когда известный фаг пытается снова проникнуть в организм, CRISPR распознает его генетический материал и уничтожает его.
Схема формирования системы CRISPR у бактерий.
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса заразили бактериальные клетки как естественными фагами, которые переходят в спящий режим, так и генетически модифицированными фагами, которые остаются активными. Они хотели увидеть, как система CRISPR реагирует в обоих условиях.
«Наши результаты показывают, что система CRISPR бактерий была более эффективна при использовании естественного фага, находящегося в спящем состоянии, бактерия для забирала часть вирусного генетического кода в свой геном», — говорит соавтор работы Джошуа Моделл. — «Когда мы тестировали фаги, не способные переходить в спящее состояние, система CRISPR работала не так эффективно».
Бактерии используют «антивирусную вакцину»
Когда фаги впадают в состояние покоя, у бактерий появляется время, чтобы с ними разобраться. Бактерии используют это время для формирования памяти и подготовки защитных сил. Исследователи позволили выжившим бактериям размножаться и секвенировали ДНК новых поколений.
Результаты оказались поразительными. Бактерии собрали сотни тысяч генетических «воспоминаний». Каждая запись в системе CRISPR отражала прошлые встречи с вирусом. Это формирование памяти происходило в основном в период покоя, когда вирус не представлял непосредственной угрозы.
«Концептуально это похоже на вакцину с ослабленным вирусом», — говорит соавтор работы Николас Кит. Вакцины тренируют иммунную систему человека, вводя безвредные версии опасных вирусов. Система CRISPR, по-видимому, делает нечто подобное. Спящие фаги действуют как тренировочные инструменты, помогая бактериям подготовиться и не подвергая их выживание риску.
Исследователей особенно интересует, почему система лучше работает со спящими вирусами, чем с активными. Эта информация может повлиять на то, как ученые будут использовать фаги для лечения бактериальных инфекций у людей.
Устойчивость к антибиотикам
Устойчивость к антибиотикам — растущая проблема. Некоторые бактериальные инфекции больше не реагируют ни на какие известные лекарства. Фаговая терапия — использование вирусов для атаки на бактерии — является одним из потенциальных решений. Но этот подход работает только в том случае, если мы понимаем, как бактерии себя защищают.
«Наши исследования позволят разработать "фаговую терапию", которая может быть использована в клинических случаях, когда бактериальная инфекция устойчива ко всем имеющимся антибиотикам», — отмечает Моделл.
Понимание CRISPR может помочь ученым точно настроить фаговую терапию, чтобы бактерия не успела выстроить свою защиту. Тогда медики смогут выбирать или разрабатывать вирусы, к которым бактерии менее устойчивы, что приведет к более эффективному лечению.