Достаточно давно ученые показали, что бактериальный иммунитет использует механизм CRISPR-Cas9. Но новые данные показывают, что мы серьезно недооценивали масштаб биологической войны, происходящей на молекулярном уровне.
Ученые нашли в геномах бактерий сотни тысяч противовирусных механизмов защиты
Исследователи из Массачусетского технологического института и Института Пастера применили алгоритмы глубокого обучения для анализа десятков тысяч бактериальных геномов. Ученые создали инструменты DefensePredictor и DefenseFinder, которые выявили сотни тысяч ранее неизвестных противовирусных белков. Открытие такого огромного разнообразия белков дает биохимикам базу для создания инновационных средств борьбы с вирусами и защиты человека.
Бактерия Escherichia coli вырабатывают широкий спектр белков, которые помогают им защищаться от бактериофагов (зеленые). M. Maeder/Dept of Microbiology, Biozentrum/SPL
Что такое бактериофаги. Бактериофаги — это вирусы, которые специализируются исключительно на заражении бактерий. Для человека они безопасны, но в микромире — это смертоносные хищники. Бактериальный иммунитет работает не с помощью антител, как у человека, бактерии используют «молекулярные ножницы» или химические ловушки. ИИ помог найти белки, которые распознают специфические фрагменты вирусного кода и мгновенно уничтожают их, не давая вирусу захватить управление клеткой.
Использование машинного обучения позволило заглянуть в «темную материю» бактериального генома, обнаружив, что защитные функции выполняют около 1,5% всех генов бактерии. Это в три раза превышает прежние расчеты. Эксперименты на кишечной палочке подтвердили работоспособность десятков найденных систем, которые ранее никогда не связывали с отражением вирусных атак. Работы опубликованы в журнале Science (1 и 2).
DefensePredictor — это модель машинного обучения, предназначенная для выявления систем защиты от фагов.
«Существует надежда, что, возможно, появится следующее поколение молекулярных инструментов, которые возникнут на основе некоторых из этих новых систем», — отмечает соавтор работы, выполненной МТИ, микробиолог Майкл Лауб.
Открытие такого огромного разнообразия белков дает биохимикам базу для создания инновационных биотехнологий. Поскольку бактерии и вирусы ведут гонку вооружений миллиарды лет, их методы борьбы отличаются ювелирной точностью. Изучение того, как именно эти белки блокируют размножение вирусов, может привести к созданию принципиально новых лекарственных препаратов.
Эволюция защиты
DefenseFinder — модель глубокого обучения позволяют составить обширный атлас антифаговых систем.
Работы французских и американских специалистов также объяснили происхождение иммунитета у более сложных организмов. Выяснилось, что более 85% найденных белковых семейств ранее никак не ассоциировались с защитными функциями клеток.
Это заставляет пересмотреть представления о том, как закладывались основы биологической безопасности еще до появления многоклеточной жизни. Ученые подчеркивают, что многие аспекты иммунитета млекопитающих уходят корнями глубоко в бактериальное прошлое, сохраняя общие принципы распознавания и уничтожения патогенов.
Открытые базы данных теперь позволяют исследователям по всему миру проверять свойства вновь обнаруженных белков. В перспективе это может вызвать новую биотехнологическую революцию, сопоставимую по масштабам с внедрением технологии редактирования генома. Понимание механизмов, с помощью которых микробы находят инфекцию, расширяет наши знания о границах адаптивности живой материи и дает ключи к управлению биологическими процессами на самом базовом уровне.