Naukowcy odkryli, że niektóre wirusy celowo zwiększają różnorodność genetyczną, by omijać bakteryjne mechanizmy obronne; to może pomóc w terapii, gdy antybiotyki zawodzą.
Wirusy, które wybiórczo atakują i zabijają bakterie, znane jako bakteriofagi lub po prostu fagi, zakażają bakterie, lecz nie naruszają komórek człowieka. Gdy przyczepiają się do komórki bakteryjnej, wstrzykują do niej swój materiał genetyczny, przejmują kontrolę nad jej mechanizmami i zmuszają ją do produkowania nowych fagów, aż bakteria pęka.
REKLAMA
REKLAMA
Problem w tym, że bakterie mogą wykształcać mechanizmy obronne wobec fagów, tak jak rozwijają oporność na antybiotyki.
Nowe badania sugerują jednak, że także fagi mają własną, ewolucyjną kontrstrategię.
Niektóre wirusy zamieszkujące ludzki przewód pokarmowy potrafią bardzo szybko wytwarzać różnice genetyczne wśród swojego potomstwa, zwiększając szanse, że przynajmniej część z nich przetrwa, gdy bakterie zaczynają się bronić – wynika z badania (źródło w Angielski), opublikowanego w czwartek w czasopiśmie „Nature Microbiology”.
To odkrycie może otworzyć nową drogę w poszukiwaniu alternatywy dla antybiotyków, w sytuacji gdy zakażenia oporne na leki stają się coraz trudniejsze do leczenia.
Naukowcy z Michigan State University zidentyfikowali dotąd niedoceniane fragmenty genomów bakteriofagów, które działają jak genetyczne „gorące punkty” i pozwalają wirusom wielokrotnie zmieniać kluczowe geny podczas namnażania.
To sugeruje, że te rejony pomagają fagom zmniejszać ryzyko w ewolucyjnej grze z bakteryjną obroną. Zamiast produkować populację genetycznie identycznych wirusów, wytwarzają one zróżnicowane potomstwo o różnych cechach, co zwiększa szansę, że część z nich nadal będzie zakażać i zabijać bakteryjnych gospodarzy.
„To zmienia nasze rozumienie tego, jak ewoluują fagi” – powiedział współautor Chris Waters, pracownik programu Ecology, Evolution, and Behavior na Michigan State University, cytowany przez komunikat (źródło w Angielski). „Zamiast wykorzystywać swoich gospodarzy do masowej produkcji dokładnych kopii, faktycznie używają tych miejsc podatnych na mutacje, by stworzyć swoiste zoo” – dodał, podkreślając, że fagi „w gruncie rzeczy zmniejszają ryzyko, stosując różne strategie”.
Genetyczna droga ucieczki
Naukowcy badali bakteriofaga T2, który zakaża pałeczki okrężnicy E. coli, po analizie bakteryjnego systemu obronnego zdolnego rozpoznawać i niszczyć wnikające DNA faga.
Zespół przeniósł ten system obronny do E. coli w warunkach laboratoryjnych i wystawił bakterie na działanie fagów.
Ochrona nie utrzymała się długo.
W ciągu kilku godzin fagi zaczęły przełamywać bakteryjną obronę.
„W ciągu zaledwie kilku godzin fagi zawsze zaczynały wygrywać” – powiedział Waters. „Nie rozumieliśmy, dlaczego” – dodał.
Gdy naukowcy zsekwencjonowali odporne wirusy, odkryli powtarzające się mutacje w genie o nazwie agt, zwłaszcza w fragmencie powtarzalnego DNA. „Kiedy zobaczyłem te dane, pomyślałem: «o rany»” – powiedział Waters.
Okazało się, że ten fragment jest tym, co naukowcy nazywają contingency locus – silnie podatnym na zmiany regionem, w którym aparat kopiujący DNA łatwo „potyka się” podczas powielania powtarzających się sekwencji.
Efektem jest odwracalna mutacja przesunięcia ramki odczytu (frameshift), która zmienia sposób odczytywania instrukcji zapisanych w genie.
Niektóre fagi zyskują dodatkowe powtórzenie, inne jedno tracą. W efekcie powstaje populacja zawierająca różne wersje wirusa, potencjalnie o odmiennych zdolnościach omijania bakteryjnej obrony.
Naukowcy ustalili, że w tych powtarzalnych regionach mutacje gromadzą się tysiące razy szybciej niż w pozostałej części genomu faga.
Mechanizm ten nie ogranicza się do jednego wirusa.
Wykorzystując eksperymenty ewolucyjne i sekwencjonowanie genomu, zespół wykrył podobne locus kontyngencji u faga T4 zakażającego E. coli. Ustalił też, że proste powtórzenia sekwencji są powszechne w różnych fagach E. coli, choć ich liczba różni się w zależności od funkcji danego genu.
Czy to pomoże w walce z superbakteriami?
Badania pojawiają się w momencie, gdy naukowcy i decydenci szukają alternatyw dla antybiotyków.
Terapia fagowa nie jest nowym pomysłem. Fagi stosowano w leczeniu zakażeń bakteryjnych już w latach 20. XX wieku, jednak zainteresowanie tą metodą spadło, gdy antybiotyki, takie jak penicylina, stały się powszechnie dostępne.
Teraz, wraz z narastaniem oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, zainteresowanie fagami odżyło.
Jedną z ich zalet jest wysoka swoistość. Podczas gdy wiele antybiotyków zabija pożyteczne bakterie razem z patogenem, na który są skierowane, pojedyncze fagi mogą być bardzo wybiórcze wobec konkretnych gatunków lub szczepów bakterii.
Ta swoistość jest jednak także słabością: bakterie mogą z czasem rozwinąć oporność na dany fag, co może sprawić, że terapia przestanie działać.
Odkrycia zespołu z Michigan State sugerują, że w przyszłości naukowcy mogliby wykorzystać ewolucyjne strategie samych wirusów, by uczynić terapie fagowe bardziej odporne.
„Jeśli uda nam się wykorzystać tego typu ewolucyjne triki, być może będziemy w stanie opracować skuteczniejsze terapie fagowe w odpowiedzi na kryzys związany z opornością na antybiotyki” – powiedział Waters.
„Nigdy nie uda nam się całkowicie pozbyć oporności” – dodał. „Jeśli jednak lepiej zrozumiemy, jak bakterie chronią się przed zakażeniem fagami i jak fagi odpowiadają na tę obronę, być może zdołamy ograniczyć to zjawisko do minimum.”