Nowa broń na wojnie bakterii z wirusami. Co to bakteriofagi i argonauty – pisze Magdalena Kawalec-Segond

Co to bakteriofagi i argonauty – wyjaśnia Magdalena Kawalec-Segond. Życie, poza kooperacją i symbiozą, to także drapieżnictwo i pasożytnictwo. Prostą konsekwencją skomplikowanych relacji ekologicznych na naszej planecie jest m.in. fakt, że każdy żywy organizm, nie wykluczając najmniejszych, ma swoje pasożyty. Pasożyty rozpoznaje się po tym, że robią szkodę – organizm zakażony nimi choruje. Choroby zakaźne są wywoływane przez pasożyty i dotyczą absolutnie każdej żywej komórki. Nawet bakterii. Przy czym „size matters” – zatem pasożyty bakterii są co najmniej 50-100 razy mniejsze od niej. Każda zatem komórka znajduje i ewolucyjnie doszlifowuje mechanizmy odporności – walki z drobnoustrojami zakaźnymi. Każdy organizm ma jakiś układ odporności. A nawet kilka – bo między żywicielem a pasożytem rozwija się spirala wyścigu zbrojeń. Linii obrony jest zatem zawsze co najmniej kilka. Teraz musimy sobie je wyobrazić w jednej maleńkiej bakteryjnej komórce, która broni się przed swoimi pasożytami – bakteriofagami. Bakteriofagi to wirusy, których materiał genetyczny zbudowany jest z DNA, zapakowany jest w białkowym kapsydzie, który wygląda często jak mała strzykawka – i do tego służy . Wirus siada na bakterii i dosłownie wstrzykuje do jej wnętrza swój DNA. On już wie, co robić w środku. Jak w każdym w naturze przypadku, wirus przyczepia się do komórki dzięki specyficznemu dla siebie receptorowi – jakiemuś bakteryjnemu białku powierzchniowemu. Czasem zatem bakteria może zmienić owo białko lub pozbyć się go, aby wirus się nie miał do czego przyczepić. Niestety, bardzo często owe bakteryjne receptory nie bardzo mogą zniknąć czy drastycznie się zmienić, bo są bakterii niezbędne do życia. Trzeba zatem posiadać jakieś inne linie obrony niż tylko mur na granicy. Poznanych było dotąd co najmniej kilka rozmaitych systemów immunologicznych bakterii w walce z fagam . Najprościej rzecz ująwszy, fag może się wbudować w DNA bakterii i siedzieć tam sobie cicho żerując, zamiast gwałtownie namnażać się i rozwalić komórkę bakteryjną. Jest to strategia pt. „lepiej mieć 1 proc. w dobrym interesie niż 100 proc. w złym”. Posiadanie takiego wbudowanego faga (nazywa się to lizogenia) sprawia, że żadne podobne do niego fagi już bakterii nie zaatakują . To rodzaj szczepionki.Kolejny bardzo ważny system obrony to CRISP-R/Cas9 – nagrodzony Noblem z chemii 2 lata temu. Żywy dowód na to, że bioinżynieria niczego nie wymyśla, tylko wszystko bierze z natury. Ten działa jako rodzaj tablicy ogłoszeń w osiedlowym supersamie w czasach PRL: „Tych klientów już nie obsługujemy”. Wbudowuje – w skomplikowanym molekularnie procesie – fragmenty specyficzne dla DNA konkretnego wirusa w swój genom. Tego wirusa, którego już zdołały pokonać. Gdy pojawi się on we wnętrzu jej bakteryjnej komórki ponownie, zostaje natychmiast rozpoznany, i zlikwidowany, zanim zdąży zdziałać cokolwiek. To działa jak bateria szczepionek. Holenderscy biochemicy i mikrobiolodzy z Uniwersytetu Wageningen pod kierunkiem Daana C. Swartsa na łamach „Cell” opowiedzieli niedawno kolejną historię z tego gatunku. Odkryli oni zupełnie nowy układ odpornościowy bakterii, który wykorzystuje inny mechanizm neutralizacji wirusowych agresorów. Zanim opowiem, jak to działa, przyznać muszę, że rzecz jest niemała. Jak dotąd bowiem co mechanizm bakteryjnej walki z fagami, to Nagroda Nobla. Mechanizmy te są bowiem tyleż ciekawe, co użyteczne w inżynierii genetycznej. Tym razem zatem holenderscy naukowcy wykazali, że bakteryjne białka zwane Argonaut zdolne są wiązać wirusowy DNA . Gdy to się stanie, celowo rozkładają wszystkie cząsteczki dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD+). To jest powszechny w komórkach żywych koenzym, współpracujący z białkami procesów oddychania. Czyli bez niego, nie będzie w komórce energii. A jak nie ma energii, życie się kończy. Lepiej jednak czasem, by jeden umarł za wielu. Komórka bakterii w której wnętrzu pojawił się obcy DNA może się zdematerializować, zanim ów pasożytniczy DNA namnoży się w tysiącach kopii i zakazi kolejne komórki bakteryjne – z dużym prawdopodobieństwem siostry i kuzynki owej, która zasługuje na miano kamikadze. #wieszwiecej Polub nas Białka argonautów występują w organizmach wielokomórkowych, takich jak marchewka czy człowiek, ich bardzo bliscy kuzyni są też w komórkach bakterii. Argonauci wiążą się z DNA, ale nie każdym dowolnym – w bakteriach siedzi wiele różnej wielkości cząsteczek DNA nie tylko dla nich niegroźnych, ale i pożytecznych. Szkoda by było zatem, gdyby system honorowego samobójstwa włączał się z byle powodu. Są zatem zaprogramowani za pomocą małej nici „kierującego RNA” lub „kierującego DNA”, aby znaleźć inwazyjne RNA lub DNA o tej samej sekwencji. A sekwencja ta jest właściwą dla wirusa.Ta strategia występuje i w naszych komórkach, przy czym służy następnie zniszczeniu wirusa – pocięciu go na mniejsze, nieszkodliwe kawałki. U bakterii działa to inaczej: po wykryciu inwazyjnego DNA rozkłada NAD+, co działa jak black out . Ten układ odpornościowy został znaleziony w różnych gatunkach bakterii. Z naukowego punktu widzenia, w tych badaniach istotne było odkrywanie mechanizmów komórkowych zależnych od białek Argonaut. W dłuższej perspektywie może się tu jednak pojawić praktyczne zastosowanie. Tak samo było z CRISP-R/Cas, które zaczęły się jako niszowe badanie nad białkami wiążącymi RNA u pneumokoków, a skończyły Noblem i terapiami genowymi. Nowoodkryty układ odporności bakterii na wirusowe pasożyty można wyizolować, a następnie przeprogramować za pomocą wybranej nici kierującego RNA. Ponieważ degradację NAD+ można łatwo wykryć, białko Argonaute może być używane do rozpoznawania określonych sekwencji DNA na polecenie. Badania podstawowe mogą się zatem zakończyć jakimś ciekawym szybkim testem wykrywającym określone sekwencje DNA w komórkach żywych – np. warunkujące nowotwory… W naturze trwa nieustający wyścig zbrojeń. Z jednej strony wirusy wciąż poszukują nowych sposobów penetracji komórek, aż drugiej strony komórki zyskują coraz lepsze mechanizmy obronne w celu eliminacji wirusów. Tak powstaje równowaga. Nasza planeta nie jest rajem, ale nadal jest zamieszkana przez żywe komórki i zbudowane z nich organizmy. Ten sam wyścig zbrojeń toczy się między bakteriami a ich chorobotwórczymi „najeźdźcami”: wirusami i plazmidami. Jak przypominają autorzy badań, a i ja powtarzam: ludzie często nie doceniają bakterii. Małe jest nie tylko piękne, ale i zdolne do wszystkiego. Nawet posiadania bardzo wyszukanego systemu odporności, złożonego z wielu linii obronnych. Bez względu na to, jak małe są bakterie, ich układ odpornościowy ewoluował przez miliardy lat i stawał się coraz bardziej wyrafinowany. Zobacz także: Ból ma płeć