Ученые из Копенгагенского университета и Хуачжунского сельскохозяйственного университета обнаружили, что кишечная палочка использует ранее неизвестную противовирусную систему.
Бактерии совершают самоубийство, чтобы спасти свою колонию от вирусов
Ученые из Копенгагенского университета и Хуачжунского сельскохозяйственного университета обнаружили, что кишечная палочка использует ранее неизвестную противовирусную систему. Бактерия захватывает вирусный фермент, чтобы запустить процесс самоуничтожения. В результате все вирусы гибнут вместе с бактерией, а другие бактерии выживают.
Кишечная палочка. Википедия
Бактериофаги — вирусы, атакующие бактерии, рассматриваются сегодня, как эффективное средство борьбы с бактериальными патогенами, в том числе с устойчивыми к антибиотикам. Но чтобы использовать фаговую терапию, нужно хорошо понимать, как бактерии защищаются. Они делают это исключительно изобретательно. Их средства защиты отточены миллиардами лет эволюции. И ученые с удивлением обнаруживают все новые и новые антивирусные механизмы бактерий.
Каждый вирус, который заражает бактерии, или фаг, должен быстро реплицировать свой генетический материал, чтобы клеточную защита не успела сработать. Поэтому многие фаги вводят специализированные ферменты, которые стремительно штампуют строительные блоки ДНК и РНК.
Антивирусная система, которую обнаружили ученые обнаруживает этот фермент и заставляет его синтезировать совершенно другую молекулу dITP. После создания dITP активирует белковый комплекс, который запускает каскад самоуничтожения клетки. Работа опубликована в журнале Science. Неизвестную ранее систему защиты ученые назвали Kongming, в честь древнекитайского полководца эпохи Троецарствия (III век н.э.), который, согласно историческим свидетельствам, умело использовал для защиты своего города силы врага.
Зачем бактерии совершают самоубийство
Снимок трансмиссионным электронным микроскопом. Бактериофаги атакуют клетку.
Самоуничтожение может показаться странным способом победить вирусы, но в бактериальных колониях оно может быть чрезвычайно эффективным.
«Бактерия жертвует собой, чтобы остановить вирус — что может показаться драматичным, но это невероятно эффективная стратегия. Умирая, бактерия уносит вирус с собой, предотвращая распространение инфекции на другие бактерии в популяции. Это немного похоже на подрыв моста, чтобы остановить наступающего врага», — говорит соавтор работы Рафаэль Пинилья-Редондо.
Поскольку фаги должны завершить свои циклы репликации внутри живых хозяев, преждевременная смерть хозяина предотвращает высвобождение сотен вирусных потомков. Несколько клеток, успевших себя уничтожить, могут защитить сообщество — это похоже на запрограммированную гибель клеток (апоптоз) в тканях человека.
Фаги не являются пассивными целями. Ученые заметили, что некоторые вирусы несут вспомогательные ферменты, способные разрушать dITP до того, как он достигнет летального уровня. «Некоторые вирусы придумали, как обойти эту антивирусную защиту Kongming», — отметил соавтор работы Жуйлян Чжао. — «Они несут особые ферменты, которые расщепляют молекулы, необходимые для запуска системы. Это их способ обрезать провода, пока взрыв еще не произошел».
Kongming за пределами кишечника
Механизм иммунной сигнализации нуклеобаза-модифицированного нуклеотида в бактериях. (Слева) Защитный механизм антифаговой системы Kongming. KomA и фаговые DNK опосредуют синтез сигнала dITP, который активирует эффекторный комплекс KomBC для истощения NAD+. (Справа) Сравнение сигнализации Kongming с иммунными путями бактерий, растений и животных, использующих циклические (олиго)нуклеотиды и варианты ADPR в качестве сигнальных молекул.
Хотя изначально антивирусная защита Kongming была описана только для кишечной палочки E. coli, генетическое расследование выявило десятки действующих систем, подобных Kongming, в почвенных и морских бактериях по всему миру. Это говорит о том, что этот механизм — не нишевая диковинка, а широко распространенный метод самозащиты бактерий.
Картируя его генетические признаки, ученые научились предсказывать, какие микробы окружающей среды имеют подобные системы. Эта информация имеет решающее значение для биогеохимического моделирования и разработки фаговой терапии, которая должна обходить такой естественный иммунитет.
Рост устойчивости к антибиотикам возродил интерес к лечению инфекций фагами, специально разработанными для уничтожения определенных патогенов. Однако терапевтический фаг потерпит неудачу, если его целевая бактерия обладает мощной защитой, такой как Kongming. Подробные знания о Kongming могут помочь в выборе или разработке фагов, которые обходят бактериальную защиту, повышая показатели клинического успеха.