Naukowcy odkryli właśnie u bakterii nieznany system antywirusowy. Na łamach pisma „Molecular Cell” określili go jako „najdziwniejszy tego typu mechanizm”.
Naukowcy z Gladstone Institutes (USA) odkryli bakteryjny system odpornościowy, który działa w sposób odwrotny do znanych dotychczas mechanizmów obronnych. Ten skomplikowany układ molekularny, znany jako retrony typu VI, można wykorzystać do stworzenia skuteczniejszych narzędzi edycji genów. Może stać się inspiracją dla nowych technologii służących do badania i leczenia chorób.
Odkrywcy porównują retrony typu VI do maszyn Rube’a Goldberga – amerykańskiego rysownika, rzeźbiarza, pisarza, inżyniera i wynalazcy, który zasłynął w pierwszej połowie XX wieku dzięki serii rysunków przedstawiających złożone urządzenia wykonujące proste czynności.
„To zdecydowanie najdziwniejszy system typu retron, z jakim mieliśmy do czynienia – my, czy ktokolwiek inny” – skomentował dr Seth Shipman, badacz z Gladstone i starszy autor publikacji. - „Retrony te działają z niezwykłą, niemal »rube-goldbergowską« złożonością, wykorzystując mechanizmy molekularne, na które sami nigdy byśmy nie wpadli, a które z powodzeniem zastosujemy w przyszłych technologiach”.
Bakterie w toku ewolucji wykształciły wyspecjalizowane mechanizmy obronne służące do niszczenia fagów – wirusów atakujących komórki bakteryjne. Jedną z linii obrony są właśnie retrony: rozpoznają atak wirusa i uruchamiają proces samozniszczenia komórki, chroniąc całą kolonię bakterii.
Ponieważ retrony potrafią również modyfikować i wprowadzać jednoniciowe DNA, zespół dr. Shipmana pracuje nad ich wykorzystaniem do naprawy mutacji wywołujących choroby w ludzkich komórkach – z niespotykaną dotąd precyzją.
Istnieje wiele systemów typu retron, jednak wszystkie działają według tej samej podstawowej zasady: wykrywają atak konkretnego szczepu fagów na komórkę bakteryjną, a następnie uwalniają toksyczne białko, które prowadzi do jej zniszczenia. Ta autodestrukcja powstrzymuje faga, zanim zdąży on się namnożyć i rozprzestrzenić na sąsiednie komórki. Dziesięciolecia badań doprowadziły do ogólnego wniosku, że wszystkie retrony wytwarzają toksynę, która w niezainfekowanych komórkach jest stale obecna, lecz celowo hamowana przez niewielkie, jednoniciowe cząsteczki DNA. Gdy do komórki wnika fag, zakłóca on strukturę tego DNA, co prowadzi do uwolnienia toksyny.
„Zazwyczaj wykrywamy retrony w niezainfekowanych komórkach właśnie poprzez poszukiwanie tego jednoniciowego DNA” – poinformowała Karen Zhang, doktorantka w laboratorium Shipmana i główna autorka badania. „Jednak retrony typu VI zwróciły naszą uwagę, ponieważ wydawało się, że nie mają tej cechy charakterystycznej. Było to bardzo dziwne i zastanawialiśmy się, czy są uszkodzone”.
Jak się jednak okazało, retrony typu VI potrafią skutecznie bronić komórek przed fagami.
„Za każdym razem, gdy próbowaliśmy przeprowadzić eksperymenty, które zwykle stosujemy do badania retronów, kończyły się one niepowodzeniem. Musieliśmy ciągle wymyślać nowe sposoby, aby zrozumieć, jak działają te konkretne retrony”.
Dzięki serii eksperymentów odkryto, że – w przeciwieństwie do innych retronów – retrony typu VI nie wytwarzają wykrywalnych ilości jednoniciowego DNA ani toksyny w komórkach niezainfekowanych. Dopiero wniknięcie faga do komórki uruchamia w retronie produkcję jednoniciowego DNA.
Gdy cząsteczki te się gromadzą, wchodzą w interakcję z cząsteczką RNA, która wcześniej blokowała wytwarzanie toksyny. Zniesienie blokady umożliwia gwałtowny wzrost produkcji toksyny. Toksyna jest niewielkim białkiem, które wbudowuje się w błonę otaczającą komórkę, co prowadzi do jej destabilizacji i śmierci.
„Jest to niemal lustrzane odbicie tego, jak tradycyjnie postrzegamy retrony: tutaj DNA uruchamia produkcję toksyny, zamiast hamować toksynę, która już została wytworzona” – podkreślił Zhang. „Byłoby fascynujące zbadać, w jaki sposób ewolucja bakterii doprowadziła do powstania tak złożonego systemu molekularnego – czy retrony typu VI są starsze, czy nowsze od innych typów, a może stanowią ogniwo pośrednie między różnymi ich rodzajami”.
Ponieważ standardowe techniki mimo licznych prób nie pozwalały wykryć DNA wytwarzanego przez retrony typu VI w komórkach niezainfekowanych, trzeba było sięgnąć po narzędzie zwane Spacer-seq, opracowane wcześniej w laboratorium Shipmana. Wykorzystuje ono elementy molekularne innego bakteryjnego systemu odpornościowego – CRISPR-Cas – do tworzenia zapisu aktywności genów wewnątrz komórki.
„Prawie straciliśmy nadzieję, że w ogóle powstaje jakiekolwiek DNA, gdy nagle, dzięki tej metodzie, udało się wykryć jego produkcję – choć na bardzo, bardzo niskim poziomie – w komórkach niezainfekowanych” – powiedział Zhang.
Odkrycie skłoniło zespół do dalszych poszukiwań, a kolejne eksperymenty wykazały, że poziom DNA wzrasta do wartości zapewniających ochronę dopiero po wniknięciu faga.
Unikalny mechanizm działania retronów typu VI już inspiruje naukowców z laboratorium Shipmana do tworzenia nowatorskich narzędzi, w tym syntetycznych czujników i przełączników zdolnych do kontrolowania aktywności genów.
„System ten stanowi wyjątkowy sposób na stworzenie molekularnego czujnika i przełącznika, zakodowanego w DNA i RNA – rozwiązanie, na które nikt wcześniej nie wpadł” – podkreślił Zhang. - „Syntetyczne czujniki i przełączniki mają szerokie zastosowanie: od leczenia chorób, po projektowanie eksperymentów, które pozwalają lepiej zrozumieć mechanizmy powstawania określonych schorzeń”.
Niewielkie, lecz niezwykle silne toksyny wytwarzane przez retrony typu VI mogą znaleźć zastosowanie w medycynie. Naukowcy pracują nad ich wykorzystaniem w nowych rodzajach terapii przeciwdrobnoustrojowych, które mogłyby precyzyjnie namierzać i eliminować bakterie wywołujące choroby u ludzi.
„Badanie to pokazuje, dlaczego dla laboratorium zajmującego się rozwojem technologii molekularnych tak ważne jest czerpanie inspiracji z natury” – podkreślił Shipman. - „Możemy wykorzystać rozwiązania dostarczone przez ewolucję jako punkt wyjścia do budowy złożonych układów, których samo zaprojektowanie byłoby niezwykle trudnym wyzwaniem”.
Paweł Wernicki(PAP)
pmw/ zan/
