• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
750
Вирусы и бактерии – великое противостояние
Биология

Вирусы и бактерии – великое противостояние

Вирусные инфекции угрожают не только человеку, животным и растениям, но и бактериям, которые научились противостоять вирусным атакам. Изучая способы, с помощью которых бактерии борются с интервенциями вирусов, ученые обнаружили уникальный механизм адаптивного бактериального «иммунитета». Благодаря этому открытию была создана работающая технология редактирования генома, способная бороться со многими болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми

В непростых условиях пандемии уже само слово «вирус» приобрело отчетливый привкус ненормативной лексики. Однако далеко не все вирусы представляют для нас угрозу, а многие, напротив, приносят несомненную пользу. Среди последних – вирусы, которые поражают исключительно бактерий, из-за чего и были названы бактериофагами (фаг – пожиратель). 

Попадая в бактериальную клетку, фаги, как и положено вирусам, влияют на все процессы ее жизнедеятельности, фактически превращая клетку в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка бактерии гибнет и разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу, чтобы найти себе новую жертву. А теперь представьте, что речь идет о бактерии, патогенной для человека или сельскохозяйственных животных и культурных растений. Как говорят, враги наших врагов… Даже в желудочно-кишечном тракте человека содержится около 1012 вирусов-бактериофагов, а это говорит о многом.

Фаги – мельчайшие из вирусов, и устроены они крайне просто. Собственно говоря, это просто белковые контейнеры с плотно упакованными молекулами ДНК или РНК, оснащенные минимальным «абордажным» набором. Генетические программы бактериофагов невелики, а выращивать их легко и быстро, поэтому в молекулярной биологии они играют роль своеобразных подопытных «дрозофил».

Используя в качестве «подопытных» эти простейшие биологические объекты, ученым удалось получить ответы на важнейшие вопросы, касающиеся основ жизни. Так, еще в середине прошлого века с использованием бактериофагов, меченых изотопами, была доказана роль ДНК как основного носителя генетической информации. 

Тем не менее базовые технологии генетической инженерии родились благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности. Дело в том, что вирусные атаки на бактерий, использующихся при производстве сыра, йогурта и других кисломолочных продуктов, приносили ощутимые экономические потери, что потребовало создания устойчивых к бактериофагам штаммов. 

На сегодня известны пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые либо препятствуют проникновению вирусной ДНК, либо уничтожают ее внутри бактериальной клетки. 

Самый простой – модификация и даже потеря поверхностных молекул-рецепторов, которые вирус использует как «якорь» при своем проникновении в клетку. Самый радикальный – системы так называемой абортивной инфекции, которые приводят зараженную бактерию к запрограммированной гибели, что выгодно для всей популяции, так как приостанавливает передачу инфекции. 

Отдельно надо отметить бактерии, которые заводят свой, «домашний» вирус, который встраивается в бактериальный геном и существует там, не принося вреда своей «хозяйке». Такие фаги либо препятствуют генам других своих собратьев работать в клетке бактерии, либо вовсе не пускают их внутрь, меняя клеточные рецепторы.

В борьбе с вирусами бактерии используют разные стратегии: изменение своих поверхностных рецепторов (1); исключение суперинфекции (множественного заражения) (2); разрушение всей «чужой» неметилированной ДНК с помощью систем рестрикции-модификации (3); «самоубийство» клетки (4); системы CRISPR-Cas, основанные на «запоминании» патогенов (5)

Однако самым уникальным и интересным для нас механизмом бактериального иммунитета оказалась система CRISPR-Cas, обнаруженная в разных вариациях у большинства бактерий и архей. С ее помощью бактерии способны «записывать» в свой геном и потом передавать потомству информацию о фагах, с которыми им пришлось столкнуться в течение жизни. Такие «воспоминания» позволяют бактерии эффективней противостоять бактериофагу при повторных инфекциях.

Что представляет собой эта система? В геноме таких бактерий есть участок (CRISPR-кассета), куда встроены небольшие фрагменты ДНК разных бактериофагов. С кассеты считывается длинная молекула РНК, которая разрезается на кусочки так, чтобы в каждом из них содержалась лишь одна вирусная «метка». К каждому из таких фрагментов присоединяются белки Cas, образуя активные комплексы – очень отдаленный аналог наших защитных антител. Эти комплексы, способные распознать вирусную ДНК, начинают сканировать всю ДНК в клетке – обнаруженные «подозрительные» участки безжалостно разрезаются. Кстати сказать, коллекция «вирусных визиток» может пополняться в случае проникновения в бактерию незнакомого вируса – этим также занимаются белки Cas.

Все системы адаптивного иммунитета CRISPR-Cas действуют по одному принципу, хотя могут отличаться в деталях. Основой для разработки технологии редактирования генома послужила простая и относительная компактная система с единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Только в случае геномного редактирования активный комплекс включает участок, соответствующий уже не вирусной ДНК, а целевому гену (например, с мутацией). Разрыв, который образуется в клеточной ДНК, можно использовать для исправления нежелательной мутации либо встраивания трансгена.

Системы CRISPR-Cas, позволившие манипулировать хромосомной ДНК непосредственно в живых клетках, стали основой революционной биотехнологии, с помощью которой можно не только создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений, но и, в недалеком будущем, лечить наследственные заболевания человека. Так изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность, принесло неоценимую пользу человечеству.

Подробнее об этом читайте в журнале «НАУКА из первых рук» в статье К.В. Северинова, А.В. Строцкой и А.А. Ширяевой «Вирусы и бактерии – великое противостояние» 

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!