На протяжении миллиардов лет бактерии ведут непрекращающуюся войну с вирусами, развивая хитроумные стратегии выживания. Теперь учёные утверждают, что эти древние микробные защитные механизмы могут стать источником вдохновения для создания новых противовирусных инструментов, применимых к человеку. Команда профессора химической инженерии из Университета штата Пенсильвания Томаса Вуда раскрыла давно упущенный из виду бактериальный механизм, помогающий защищаться от вирусных инфекций.
Исследователи изучали бактерии, содержащие чрезвычайно старые, неактивные вирусы, и обнаружили, что эти «дремлющие» захватчики по-прежнему играют защитную роль. Результаты их работы, опубликованные в журнале *Nucleic Acids Research*, показывают, что эта защитная система в конечном итоге может помочь в разработке более эффективных противовирусных методов для использования в медицине и обеспечении безопасности пищевых продуктов.
«В последние годы произошло множество открытий, связанных с антивирусными системами у бактерий, – отметил профессор Вуд, возглавлявший проект. – Антибиотики перестают работать, и наиболее вероятной заменой являются сами вирусы. Однако прежде чем использовать вирусы в качестве замены антибиотиков для лечения человеческих инфекций, мы должны понять, как бактерия защищается от вирусной атаки».
Учёным давно известно, что древние, неактивные вирусы, известные как криптические профаги, могут внедрять свой генетический материал в ДНК бактерий. Эти генетические фрагменты позволяют бактериям использовать специализированные ферменты и белки для предотвращения заражения новых вирусов, называемых фагами.
В новом исследовании команда из Университета штата Пенсильвания обнаружила, что белок-рекомбиназа – фермент, который разрезает и вновь соединяет нити ДНК – способен модифицировать бактериальную ДНК в ответ на вирусную угрозу. Это происходит только в том случае, если профаг уже встроен в геном. Такая рекомбиназа действует как защитник быстрого реагирования, когда клетка обнаруживает опасность.
Конкретная рекомбиназа, идентифицированная в этой системе, известна как PinQ. Когда вирус приближается к бактериальной клетке, PinQ запускает инверсию ДНК, переворачивая участок генетического кода внутри хромосомы. Это изменение приводит к созданию двух «химерных белков», состоящих из ДНК самого профага. Вместе эти белки, обозначаемые как Stf, блокируют прикрепление вируса к поверхности бактерии и инъекцию её генетического материала.
«Удивительно, что этот процесс действительно производит новые химерные белки, причём специфически из инвертированной ДНК – чаще всего, когда вы меняете ДНК, вы просто получаете генетические мутации, приводящие к неактивным белкам, – пояснил Вуд. – Эти инверсии и адаптации являются очевидным доказательством того, что это тонко настроенная антивирусная система, развивавшаяся на протяжении миллионов лет».
Растущая угроза устойчивых к антибиотикам инфекций отчасти вызвана чрезмерным использованием антибиотиков. Вирусы могут предложить более безопасную альтернативу, поскольку они целенаправленно воздействуют на определённые штаммы бактерий, не нанося вреда другим, и эволюционируют вместе со своими хозяевами. Понимание этой естественной бактериальной защиты может помочь исследователям использовать её для разработки более точных методов лечения и снижения зависимости от антибиотиков.
Хотя ферменты-рекомбиназы ранее были обнаружены вблизи областей бактериальной защиты, это первое исследование, показывающее их прямое участие в защите от вирусов. «Исследователи не упускали эти ферменты из виду, они видели их, но не придавали значения, считая всего лишь маркерами вирусных генов, – подчеркнул Вуд. – Для защиты от вирусов бактерии должны иметь множество различных защитных систем, и это лишь ещё один пример одной из таких систем».
Чтобы изучить работу этого механизма, команда увеличила производство белков Stf в бактериях *E. coli*, а затем добавила вирусы в образец. После ночного инкубирования измерялась мутность раствора, чтобы определить, насколько успешно вирусы заразили бактерии. Чем мутнее был раствор, тем меньше активных вирусов оставалось.
Учёные также использовали компьютерные модели для симуляции процесса прикрепления вирусов к бактериальным поверхностям, известного как адсорбция, подтвердив точность своих симуляций путём сравнения их с лабораторными результатами. «Когда мы сверхэкспрессируем этот белок, мы изначально препятствуем приземлению вируса на поверхность клетки, – рассказал Вуд. – Однако после восьми экспериментальных итераций вирус меняет свои посадочные белки – то, как он идентифицирует и прикрепляется к бактериям – и может преодолеть эту защиту».
Это исследование улучшило понимание того, как работают антивирусные системы, что может помочь более эффективно выращивать бактерии, используемые для ферментации пищевых продуктов, таких как сыр и йогурт, а также улучшить управление бактериальными инфекциями в медицинских учреждениях. Заглядывая вперёд, Вуд отметил, что команда планирует продолжить исследование антивирусных применений восьми дополнительных профагов, находящихся сейчас в их лаборатории.
«Это история о том, как «ископаемое» защищает своего хозяина от внешнего захватчика, и у нас есть ещё 10 других «ископаемых» историй, которые могут предложить свои собственные средства защиты, ожидающие проверки, – заключил Вуд. – Более глубокое понимание того, как эти вирусы взаимодействуют с бактериями, даст нам невероятное представление о том, как эффективно и безопасно использовать бактерии в биоинженерии».
Среди соавторов исследования – Джой Кириго, недавно получившая докторскую степень по химической инженерии в Университете штата Пенсильвания; Дэниел Уэльгас-Мендес, докторант по химической инженерии из Национального автономного университета Мексики (UNAM), проходивший стажировку в Университете штата Пенсильвания; Родольфо Гарсиа-Контрерас, профессор микробиологии в UNAM и научный руководитель Уэльгаса-Мендеса; Мария Томас, координатор отдела геномной диагностики в Университетской больнице А-Корунья; и Майкл Дж. Бенедик, профессор биологии в Техасском университете A&M. Исследование было поддержано фондом Biotechnology Endowment, Национальным автономным университетом Мексики и Секретариатом науки, гуманитарных наук, технологий и инноваций.
