Fagi wyczuwają uszkodzenia DNA bakterii, co powoduje ich replikację i przeskakiwanie na statek. Projektuj komórki/iStock za pomocą Getty Images Plus
Po ponad dwóch latach pandemii COVID-19 możesz wyobrazić sobie wirusa jako paskudną, kolczastą kulę – bezmyślnego zabójcę, który dostaje się do komórki i przechwytuje jej maszynerię, aby stworzyć biliony kopii samego siebie, zanim wybuchnie. W przypadku wielu wirusów, w tym koronawirus, który powoduje COVID-19, epitet „bezmyślnego zabójcy” jest zasadniczo prawdziwy.
Ale biologia wirusów to coś więcej, niż na pierwszy rzut oka.
Weźmy wirusa HIV, który powoduje AIDS. HIV to retrowirus który nie idzie bezpośrednio na szał zabijania, kiedy wchodzi do celi. Zamiast tego integruje się z twoimi chromosomami i dreszcze, czekając na odpowiedni moment, aby nakazać komórce wykonanie jej kopii i wybuchnąć, aby zainfekować inne komórki odpornościowe i ostatecznie spowodować AIDS.
Dokładnie to, na który moment czeka wirus HIV, jest nadal… obszar aktywnej nauki. Ale badania nad innymi wirusami od dawna sugerują, że te patogeny mogą być dość „przemyślane” w kwestii zabijania. Oczywiście wirusy nie potrafią myśleć tak, jak ty i ja. Ale, jak się okazuje, ewolucja wyposażyła ich w dość skomplikowane mechanizmy podejmowania decyzji. Na przykład niektóre wirusy zdecydują się opuścić komórkę, w której przebywały, jeśli wykryją uszkodzenie DNA. Wygląda na to, że nawet wirusy nie lubią przebywać na tonącym statku.
My laboratorium studiuje biologię molekularną bakteriofagi, lub w skrócie fagi, wirusy infekujące bakterie od ponad dwóch dekad. Ostatnio moi koledzy i ja pokazał że fagi mogą nasłuchiwać kluczowych sygnałów komórkowych, aby pomóc im w podejmowaniu decyzji. Co gorsza, mogą używać własnych „uszów” komórki, aby słuchać za nich.
Ucieczka przed uszkodzeniem DNA
Jeśli wrogiem twojego wroga jest twój przyjaciel, fagi są z pewnością twoimi przyjaciółmi. Fagi kontrolować populacje bakterii w naturze, a klinicyści coraz częściej używają ich do: leczyć infekcje bakteryjne które nie reagują na antybiotyki.
Najlepiej zbadany fag, lambda, działa trochę jak HIV. Po wejściu do komórki bakteryjnej lambda decyduje, czy replikować i zabijać komórkę wprost, jak robi to większość wirusów, czy zintegrować się z chromosomem komórki, jak robi to HIV. Jeśli to drugie, lambda nieszkodliwie replikuje się ze swoim gospodarzem za każdym razem, gdy bakteria się dzieli.
Ten film przedstawia faga lambda infekującego E. coli.
Ale, podobnie jak HIV, lambda nie tylko siedzi bezczynnie. Wykorzystuje specjalne białko zwane CI, takie jak stetoskop, aby nasłuchiwać oznak uszkodzenia DNA w komórce bakteryjnej. Jeśli DNA bakterii zostanie naruszone, to zła wiadomość dla zagnieżdżonego w niej faga lambda. Uszkodzone DNA prowadzi prosto na wysypisko ewolucji, ponieważ jest bezużyteczne dla faga, który potrzebuje go do rozmnażania. Zatem lambda włącza swoje geny replikacyjne, tworzy swoje kopie i wyskakuje z komórki w poszukiwaniu nieuszkodzonych komórek do zainfekowania.
Dotykając systemu komunikacji komórki
Niektóre fagi, zamiast zbierać informacje za pomocą własnych białek, wykorzystują czujnik uszkodzenia DNA zainfekowanej komórki: LexA.
Białka takie jak CI i LexA są czynniki transkrypcyjne które włączają i wyłączają geny poprzez wiązanie się z określonymi wzorcami genetycznymi w instrukcji DNA, którą jest chromosom. Niektóre fagi, takie jak Coliphage 186, zorientowały się, że nie potrzebują własnego wirusowego białka CI, jeśli mają krótką sekwencję DNA w swoich chromosomach, z którą może się wiązać bakteryjna LexA. Po wykryciu uszkodzenia DNA, LexA aktywuje geny replikacji i zabicia faga, zasadniczo dwukrotnie przekraczając komórkę, aby popełnić samobójstwo, jednocześnie umożliwiając fagowi ucieczkę.
Naukowcy po raz pierwszy donieśli o roli CI w podejmowaniu decyzji dotyczących fagów w 1980-ach i kontrwywiadowcza sztuczka Coliphage 186 pod koniec lat 1990.. Od tego czasu pojawiło się kilka innych doniesień o fagach atakujących bakteryjne systemy komunikacji. Jednym z przykładów jest fag phi29, który wykorzystuje czynnik transkrypcyjny gospodarza do wykrywania, kiedy bakteria przygotowuje się do wytworzenia zarodnika lub rodzaju bakteryjnego jaja zdolny do przetrwania w ekstremalnych warunkach. Phi29 instruuje komórkę, aby upadła jej DNA do zarodnika, zabijając pączkujące bakterie, gdy zarodnik wykiełkuje.
Czynniki transkrypcyjne włączają i wyłączają geny.
W naszym niedawno opublikowane badania, moi koledzy i ja pokazujemy, że kilka grup fagów niezależnie wykształciło zdolność do łączenia się z jeszcze innym bakteryjnym systemem komunikacji: białkiem CtrA. CtrA integruje wiele sygnałów wewnętrznych i zewnętrznych, aby wprawić w ruch różne procesy rozwojowe bakterii. Kluczową wśród nich jest produkcja wyrostków bakteryjnych zwanych wici i pili. Okazuje się, że te fagi przyczepiają się do pilusów i wici bakterii, aby je zainfekować.
Naszą wiodącą hipotezą jest to, że fagi wykorzystują CtrA do oszacowania, kiedy będzie wystarczająco dużo bakterii w pobliżu pilusów i wici, które mogą łatwo zarazić. Całkiem sprytna sztuczka dla „bezmyślnego zabójcy”.
Nie są to jedyne fagi, które podejmują skomplikowane decyzje – a wszystko to bez korzyści z posiadania mózgu. Niektóre fagi, które infekują Bakcyl bakterie wytwarzają małą cząsteczkę za każdym razem, gdy infekują komórkę. Fagi mogą wyczuć tę cząsteczkę i użyć jej do: policz liczbę infekcji fagowych wokół nich. Podobnie jak obcy najeźdźcy, ta liczba pomaga zdecydować, kiedy powinni włączyć swoje geny replikacji i zabijania, zabijając tylko wtedy, gdy żywicieli są stosunkowo liczni. W ten sposób fagi upewniają się, że nigdy nie zabraknie im żywicieli do zarażenia i zapewnią sobie długoterminowe przetrwanie.
Przeciwdziałanie kontrwywiadowi wirusowemu
Być może zastanawiasz się, dlaczego powinieneś przejmować się operacjami kontrwywiadu prowadzonymi przez wirusy bakteryjne. Chociaż bakterie bardzo różnią się od ludzi, wirusy, które je infekują, są nie tak inaczej od wirusów, które zarażają ludzi. Prawie dużo każda sztuczka Wykazano później, że grane przez fagi są wykorzystywane przez ludzkie wirusy. Jeśli bakteriofag może wykorzystać linie komunikacyjne bakterii, dlaczego ludzki wirus nie miałby wykorzystać twojego?
Jak dotąd naukowcy nie wiedzą, czego ludzkie wirusy mogą nasłuchiwać, jeśli przejmą te linie, ale przychodzą na myśl wiele opcji. Uważam, że ludzkie wirusy, podobnie jak fagi, mogą potencjalnie być w stanie policzyć ich liczbę, aby opracować strategię, wykryć wzrost komórek i tworzenie tkanek, a nawet monitorować reakcje immunologiczne. Na razie te możliwości to tylko spekulacje, ale trwają badania naukowe.
Posiadanie wirusów podsłuchujących prywatne rozmowy komórek nie jest najróżniejszym obrazem, ale nie jest pozbawione pozytywnej strony. Jak dobrze wiedzą agencje wywiadowcze na całym świecie, kontrwywiad działa tylko wtedy, gdy jest ukryty. Po wykryciu system można bardzo łatwo wykorzystać do przekazywania dezinformacji wrogowi. Podobnie uważam, że przyszłe terapie antywirusowe mogą łączyć konwencjonalną artylerię, np. leki przeciwwirusowe zapobiegające replikacji wirusa, ze sztuczkami związanymi z wojną informacyjną, takimi jak przekonanie wirusa, że komórka, w której się znajduje, należy do innej tkanki.
Ale cicho, nie mów nikomu. Wirusy mogą nasłuchiwać!
O autorze
Iwan Erill, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych, University of Maryland, hrabstwo Baltimore
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Powiązane książki:
Ciało utrzymuje wynik: mózg, umysł i ciało w leczeniu traumy
przez Bessela van der Kolka
Ta książka bada powiązania między traumą a zdrowiem fizycznym i psychicznym, oferując spostrzeżenia i strategie leczenia i powrotu do zdrowia.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Oddech: nowa nauka o utraconej sztuce
przez Jamesa Nestora
Ta książka bada naukę i praktykę oddychania, oferując spostrzeżenia i techniki poprawy zdrowia fizycznego i psychicznego.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Paradoks roślin: ukryte zagrożenia w „zdrowej” żywności, które powodują choroby i przyrost masy ciała
przez Stevena R. Gundry'ego
Ta książka bada powiązania między dietą, zdrowiem i chorobami, oferując spostrzeżenia i strategie poprawy ogólnego stanu zdrowia i dobrego samopoczucia.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Kod odpornościowy: nowy paradygmat prawdziwego zdrowia i radykalnego przeciwdziałania starzeniu się
autorstwa Joela Greene'a
Ta książka oferuje nowe spojrzenie na zdrowie i odporność, opierając się na zasadach epigenetyki i oferując spostrzeżenia i strategie optymalizacji zdrowia i starzenia się.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
Kompletny przewodnik po poście: uzdrawiaj swoje ciało poprzez post przerywany, co drugi dzień i przedłużony
autorstwa dr Jasona Funga i Jimmy'ego Moore'a
Ta książka bada naukę i praktykę postu, oferując spostrzeżenia i strategie poprawy ogólnego stanu zdrowia i dobrego samopoczucia.
