Dodano: 21 czerwiec 2019r.

Sekretne życie społeczne wirusów

Wirusy potrafią komunikować się ze sobą i współpracować. To przynosi im wymierne korzyści. Badania prowadzone nad używanym przez nie językiem molekularnym mogą doprowadzić do opracowanie nowych terapii przeciw różnorakim infekcjom bakteryjnym, a być może nawet do opracowania terapii przeciwnowotworowych.

 

Rotem Sorek wraz z zespołem naukowców z Weizmann Institute of Science w Izraelu zainfekował bakterie wirusami. Chciał w ten sposób sprawdzić, czy chore mikroby komunikują się ze sobą, aby wspólnie walczyć z atakiem. Ale podczas sprawdzania zawartości laboratoryjnych naczyń spostrzegł coś zupełnie nieoczekiwanego. Bakterie milczały, za to wirusy trajkotały w najlepsze, przekazując sobie komunikaty w języku molekularnym, które tylko one mogły zrozumieć.

To przypadkowe odkrycie zasadniczo zmieniło wiedzę naukowców na temat zachowania wirusów. Okazało się, że bakteriofagi – wirusy, które atakują wyłącznie bakterie, razem decydowały, kiedy najlepiej zaatakować, a kiedy siedzieć cicho w komórkach gospodarza.

 

Bakteriofagi (lub fagi) mają mechanizmy nadzoru, które dostarczają im informacji na temat tego, czy pozostać w stanie uśpienia czy rozpocząć atak, w zależności od dostępności świeżych ofiar. Naukowcy przez długi czas myśleli, że procesy te są bierne. Fagi zdawały się po prostu siadać i słuchać, czekając na ruch bakterii.

Sorek i jego koledzy znaleźli fagi aktywnie dyskutujące o swoich wyborach. Zdali sobie sprawę, że gdy bakteriofag infekuje komórkę, uwalnia maleńkie białko - peptyd o długości zaledwie sześciu aminokwasów, który jest przesłaniem dla jego braci: „znalazłem ofiarę”. Gdy fagi infekują więcej komórek, komunikat staje się jakby głośniejszy, sygnalizując, że niezainfekowane komórki są coraz rzadsze. Następnie fagi zatrzymują lizę - proces replikacji i dezintegracji błony gospodarza – i pozostają w stanie uśpienia.

Okazuje się, że wirusy nie czekają na aktywność bakterii, by podejmować decyzje. Same kontrolują swoje przeznaczenie. - To odkrycie było wielką, ważną i rewolucyjną koncepcją w dziedzinie wirusologii - powiedział Wei Cheng, mikrobiolog z Uniwersytetu Sichuan w Chinach.

Sorek nazwał ten wirusowy peptyd „arbitrium” od łacińskiego wyrażenia oznaczającego wolę, decyzję. Wydawało się, że działa to podobnie jak system komunikacji używany przez bakterie (quorum sensing) w celu wymiany informacji o gęstości komórek i odpowiedniego dostosowania populacji. Jednak grupa Soreka po raz pierwszy pokazała tego rodzaju wiadomości molekularne u wirusów.

Wirusolodzy od dawna badali wirusy, ale najczęściej w odosobnieniu, celując w komórki tylko jedną cząstką wirusa. Tymczasem staje się coraz bardziej oczywiste, że wirusy współpracują ze sobą, aby infekować ofiary i niszczyć przeciwwirusowe mechanizmy obronne.

Nauka molekularnego języka, którym posługują się fagi może pomóc w opracowaniu nowych metod leczenia nowotworów czy nieprzyjemnych zakażeń. Społeczne predyspozycje wirusów pomagają wyjaśnić, jak unikają bakteryjnego układu odpornościowego znanego jako CRISPR.

Naukowcy po raz pierwszy wykryli, że wirusy współpracują w latach 40. XX wieku, kiedy to oddzielne eksperymenty biofizyka Maxa Delbrück i bakteriologa Alfreda Hersheya wykazały, że dwie cząstki wirusowe mogą jednocześnie atakować te same komórki i wymieniać geny. Dopiero w 1999 roku wykazano, że fagi w pewnych okolicznościach pracują w ramach partnerstwa.

Z czasem odkrywano nowe przykłady interakcji między wirusami. Często miały one miejsce między różnymi szczepami wirusów, które miały wspólny interes w zwiększaniu własnych szans reprodukcyjnych. Ale molekularna podstawa tych cech współpracy - metoda komunikacji - w dużej mierze pozostała nieuchwytna. Dlatego odkrycie „aribitrium” było dużym krokiem naprzód w tej dziedzinie.

Niemal natychmiast po tym, jak Sorek po raz pierwszy opisał to zjawisko w 2017 roku, cztery niezależne grupy badawcze - w tym jedna z udziałem Chenga oraz jedna prowadzona przez Alberto Marina z Biomedical Institute of Valencia w Hiszpanii - przystąpiły do ​​pracy, próbując odkryć molekularne fundamenty, na podstawie których powstają peptydy „arbitrium”.

Prace te przyniosły owoce i pomogły wyjaśnić, w jaki sposób krótkie peptydy odkryte przez Soreka wpływają na podejmowanie decyzji przez wirusy. Jednak dla Mariny jest to dopiero początek historii. Podejrzewa on, że ​​system komunikacyjny prawdopodobnie pełni wiele innych funkcji.

W jednym z badań wykazał, że ​​receptor dla „arbitrium” w fagu może oddziaływać nie tylko z genami bakterii, które pomagają wirusowi w reprodukcji, ale także z innymi, niepowiązanymi odcinkami DNA. Naukowcy badają teraz, czy język peptydowy faga zmienia również aktywność kluczowych genów u ofiary.

Rozszerzając swoje własne odkrycie Sorek znalazł co najmniej 15 różnych typów fagów, z których wszystkie mogą zainfekować drobnoustroje glebowe i użyć jakiegoś krótkiego peptydu do komunikacji. Ale każdy fag zdaje się mówić innym językiem i rozumie tylko ten przez siebie używany. Choć fagi mogą rozmawiać tylko z własnym rodzajem, to mogą słuchać innych języków. Wirusy mogą wykorzystywać sygnały chemiczne uwalniane przez bakterie, aby określić, kiedy najlepiej zacząć się pomnażać i atakować. Podsłuchują i przechwytują informacje o gospodarzach dla własnych celów.

W swoim laboratorium na Uniwersytecie Princeton w New Jersey Bonnie Bassler i jej doktorantka Justin Silpe opracowały fagi „szpiegowskie”, które potrafią wykrywać sygnały unikalne dla innych mikroorganizmów. Wirusy te w efekcie stały się programowalnymi zabójcami, których można było użyć do zabicia jakichkolwiek bakterii.

Inna grupa badawcza prowadzona przez Joe Bondy-Denomego z University of California, San Francisco, zaobserwowała dość zaskakujące zachowanie fagów. Uczeni dostrzegli, jak wirusy bombardują bakterie specjalnymi białkami zaprojektowanymi, by przełamać obronę bakterii. Pierwsza fala wirusów przeprowadziła atak samobójczy. To osłabiło obronę bakterii i utorowało drogę innym fagom do pokonania przeciwnika. Wydaje się, że bez komunikacji byłoby to niemożliwe.

Takie przykłady komunikacji oraz współpracy obserwowane u fagów to prawdopodobnie dopiero początek tego, co uda się badaczom dostrzec w przyszłości. Trzeba przyznać, że to terra incognita. To samo dotyczy wirusów infekujących komórki zwierzęce i ludzkie. Strategie działania wirusów są sprytne i podstępne, ale znając dokładnie ich zachowania i molekularny język, można to wykorzystać do opracowania nowych terapii przeciw różnorakim infekcjom bakteryjnym, a być może nawet do opracowania terapii przeciwnowotworowych.

W ubiegłym miesiącu zaprezentowano udane kliniczne zastosowanie genetycznie modyfikowanych fagów do zwalczania opornych na leki zakażeń bakteryjnych (więcej na ten temat w tekście: Eksperymentalna terapia genetycznie zmodyfikowanymi wirusami uratowała nastolatkę przed śmiercią). Ale wirusy mogą być także używane do dostarczania leków w precyzyjnych dawkach lub do określonych miejsc.

Ale terapie fagowe to nic nowego. Pierwszy raz zastosowana została… 100 lat temu do leczenia osób chorych na czerwonkę bakteryjną. Po II drugiej wojnie światowej zostały wyparte przez antybiotyki, choć nadal stosowane były w Związku Radziecki (potem w Rosji) i Europie Wschodniej, z powodzeniem lecząc całą gamę zakażeń bakteryjnych. W Polsce od 1952 roku badania nad terapiami fagowymi prowadzi Ośrodek Terapii Fagowej przy Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN im. Ludwika Hirszfelda we Wrocławiu.

 

Źródło: Nature, fot. CC BY 4.0/ Wikimedia Commons