Як і люди, бактерії постійно зазнають атак з боку вірусів. Ці бактеріальні загарбники, відомі як бактеріофаги або “фаги”, можуть або знищувати бактеріальні клітини, або залишатися в них у сплячому стані. Вчені давно вивчають, як бактерії виживають під час фагових інфекцій, щоб краще зрозуміти механізми імунітету та розробити нові стратегії боротьби з хворобами.

Тепер дослідники з Медичної школи Університету Джонса Гопкінса виявили новий механізм захисту бактерій: вони можуть використовувати генетичний матеріал ослаблених, сплячих фагів для “вакцинації” себе, передаючи наступним поколінням здатність розпізнавати й боротися з подібними загрозами. Такі висновки, опубліковані в журналі Cell Host & Microbe, дають нове розуміння бактеріального імунітету і можуть сприяти розробці нових фагових терапій для лікування інфекцій, стійких до антибіотиків.

Як бактерії “запам’ятовують” своїх вірусних ворогів

Команда дослідників під керівництвом доктора Джошуа Моделла зосередилася на Streptococcus pyogenes — бактерії, яка викликає стрептококову ангіну. Вони вивчали клас фагів, які називаються помірними фагами. Такі віруси можуть або знищувати бактеріальні клітини, або переходити в сплячий стан. Під час цього спокою бактерії “крадуть” фрагменти генетичного матеріалу фагів і вбудовують їх у власний геном. Ця генетична пам’ять передається нащадкам, дозволяючи їм розпізнавати й боротися з майбутніми інфекціями того ж фага.

“Це концептуально схоже на вакцину зі слабким вірусом”, — пояснює Ніколас Кіт, аспірант і перший автор дослідження.

CRISPR: вбудована система захисту бактерій

Для захисту від вірусних атак бактерії використовують систему CRISPR-Cas. Вона діє як молекулярний пристрій, що записує, захоплюючи фрагменти вірусної ДНК під час попередніх інфекцій. Коли бактерія знову стикається з тим самим вірусом, CRISPR-Cas розпізнає загарбника і знищує його генетичний матеріал.

Щоб з’ясувати, як бактерії отримують ці генетичні спогади, дослідники заразили бактеріальні популяції як природними помірними фагами, так і генетично зміненими фагами, які не могли переходити в сплячий стан. Результати показали, що бактерії набагато ефективніше захоплювали вірусну ДНК від сплячих фагів, ніж від активних. За допомогою секвенування геному вчені ідентифікували сотні тисяч нових фрагментів ДНК, збережених системою CRISPR-Cas.

“Наші результати показують, що CRISPR-система бактерій була набагато ефективнішою у використанні природних сплячих фагів для вбудовування вірусного генетичного коду у свій геном”, — каже Моделла. “Коли ми тестували фаги, які не могли переходити в сплячий стан, CRISPR-система працювала значно гірше”.

Наслідки для здоров’я людини

Це дослідження допомагає вченим зрозуміти, як бактерії отримують токсичні гени від фагів. Такі гени можуть робити інфекції, зокрема викликані Staphylococcus aureus (стафілокок), Escherichia coli (кишкова паличка) і холерою, більш небезпечними для людини. Розуміння бактеріального імунітету також може сприяти розробці фагових терапій, які використовують віруси для боротьби з бактеріями, стійкими до антибіотиків.

Моделла пояснює: “CRISPR-системи є однією з перших ліній захисту від небезпечних генів фагів, які можуть зробити бактеріальні клітини токсичними. Крім того, наші дослідження допоможуть у розробці фагових терапій, які можна буде застосовувати в клінічних випадках, коли бактеріальна інфекція не піддається лікуванню жодними доступними антибіотиками”.

Майбутні дослідження будуть зосереджені на тому, як CRISPR-системи захищають бактерії від вірусів, які не переходять у сплячий стан. Це може привести до нових медичних і біотехнологічних застосувань.

Дослідження було проведене вченими з Медичної школи Університету Джонса Гопкінса, Гантер-коледжу та Національного інституту здоров’я США за фінансової підтримки NIH, Фонду Ріти Аллен та Національного наукового фонду.

Джерело: https://www.drugtargetreview.com/news/158604/new-study-reveals-how-bacteria-vaccinate-with-viral-dna/