Cercetătorii de la Gladstone Institutes descoperă un sistem imunitar bacterian neobișnuit care funcționează invers
Cercetătorii de la Gladstone Institutes au descoperit un sistem imunitar bacterian extraordinar de neobișnuit, care funcționează invers față de apărările cunoscute.
Studiul, publicat în Molecular Cell, detaliază mecanismele „retronilor de tip VI” – o clasă unică de apărări bacteriene. Decodificarea acestor sisteme complexe oferă o bază moleculară pe care oamenii de știință o pot adapta pentru a dezvolta instrumente de editare a ADN-ului mai eficiente, destinate sănătății umane și terapiilor.
„Aceasta este, cu siguranță, cea mai ciudată dintre sistemele retron pe care noi sau oricine altcineva le-am întâlnit. Aceste retronuri funcționează cu o complexitate demnă de Rube Goldberg, folosind mecanisme moleculare pe care nici nu ne-am fi imaginat să le inventăm, dar pe care le vom folosi în tehnologiile viitoare”, a spus Seth Shipman.
Bacteriile au evoluat de-a lungul timpului apărări specializate pentru a distruge fagii, virusuri care atacă celulele bacteriene. O linie de apărare deosebit de puternică, cunoscută sub numele de retroni, recunoaște atacurile virale și declanșează autodistrugerea pentru a proteja colonia bacteriană.
Deoarece retronii pot, de asemenea, să modifice și să livreze eficient ADN cu un singur fir, cercetătorii, inclusiv Shipman și echipa sa, lucrează pentru a-i folosi pentru a corecta mutațiile care cauzează boli în interiorul celulelor umane cu o precizie fără precedent.
Există mai multe tipuri de sisteme retron, dar toate urmează același principiu de bază: ele simt când un anumit tip de fag a atacat celula bacteriană și apoi eliberează o proteină toxică pentru a distruge celula. Această autodistrugere împiedică fagul să se înmulțească și să se răspândească către celulele vecine din aceeași colonie.
Decenii de cercetări au dus la o înțelegere generală că toți retronii produc o toxină care, în celulele neinfectate, este constant prezentă, dar este deliberat reprimată de molecule mici de ADN cu un singur fir. Când un fag invadează, acesta perturbă ADN-ul și provoacă eliberarea toxinei.
„Modul în care detectăm de obicei retronii în celulele neinfectate este căutând acest ADN cu un singur fir”, explică Karen Zhang. „Dar retronii de tip VI ne-au atras atenția deoarece nu păreau să aibă această semnătură. Era foarte ciudat și ne-am întrebat dacă ar putea fi defectați.”
Însă, când oamenii de știință au testat anumite bacterii care conțineau retroni de tip VI, au descoperit că aceștia erau capabili să-și apere cu succes celulele împotriva fagilor.
„Asta a dat startul unei odisee moleculare lungi”, spune Shipman. „Ori de câte ori am încercat experimentele pe care le folosim de obicei pentru a studia retronii, acestea eșuau, așa că a trebuit să ne gândim la noi modalități de a înțelege cum funcționează acești retroni.”
Saga experimentală a relevat în cele din urmă că, spre deosebire de alți retroni, retronii de tip VI nu produc niveluri vizibile de ADN cu un singur fir sau toxină în celulele neinfectate. În schimb, intrarea unui fag într-o celulă este necesară pentru a declanșa retronul să înceapă producerea ADN-ului cu un singur fir.
Odată ce ADN-ul se acumulează, acesta interacționează cu un ARN care blochează producția toxinei. Această interacțiune eliberează blocajul, permițând producția de toxină să crească.
Toxina pare a fi o proteină mică care se încorporează în membrana din jurul celulei, destabilizând celulele și provocându-le moartea.
„Este aproape versiunea în oglindă a modului în care vedem de obicei retronii, deoarece ADN-ul activează producția de toxină în loc să inhibe o toxină deja produsă”, afirmă Zhang. „Ar fi fascinant să explorăm cum evoluția bacteriană ar fi putut duce la un astfel de sistem molecular complex – dacă retronii de tip VI sunt mai vechi sau mai noi decât alți retroni, sau dacă reprezintă o treaptă intermediară între diferite tipuri.”
Pentru a descifra mașinăria unică a retronilor de tip VI, echipa a trebuit să conceapă experimente noi și să reutilizeze metodele existente într-un mod nou. O primă descoperire importantă a apărut, de exemplu, din eșecurile repetate și misterioase ale metodelor standard de a detecta ADN-ul produs de retronii de tip VI în celulele neinfectate.
Cercetătorii s-au îndreptat către un instrument diferit, numit Spacer-seq, dezvoltat anterior în laboratorul lui Shipman. Acest instrument folosește componentele moleculare ale unui alt tip de sistem imunitar bacterian, CRISPR-Cas, pentru a crea un registru al activității genice în interiorul unei celule.
„Eram pe punctul de a ne pierde speranța că orice ADN ar fi fost produs când această abordare a dezvăluit în cele din urmă un nivel foarte, foarte scăzut de producție în celulele neinfectate”, spune Zhang.
Descoperirea a motivat echipa să continue să investigheze, iar experimente suplimentare au arătat că ADN-ul ajunge la niveluri de apărare doar după ce fagul intră.
Mașinăria unică a retronilor de tip VI inspiră deja dezvoltarea de instrumente noi în laboratorul lui Shipman, inclusiv senzori și comutatoare sintetice care pot controla activitatea genică.
„Acest sistem reprezintă o modalitate unică de a construi potențial un senzor molecular și un comutator codificat în ADN și ARN, pe care nimeni nu s-a gândit vreodată înainte”, afirmă Zhang. „Senzorii și comutatoarele sintetice au multe aplicații posibile, atât în tratamentul bolilor, cât și în proiectarea experimentelor pentru a înțelege mai bine cum funcționează anumite boli.”
Toxinele mici și extrem de puternice produse de retronii de tip VI ar putea dovedi, de asemenea, utile într-un context medical. Oamenii de știință lucrează la modalități de a încorpora aceste toxine în noi tipuri de terapii antimicrobiene, care ar putea viza și distruge bacteriile care cauzează boli umane.
„Acest studiu subliniază de ce este atât de important pentru un laborator de dezvoltare a tehnologiilor moleculare precum al nostru să continue să caute inspirație din natură”, afirmă Shipman. „Putem folosi ceea ce ne-a oferit evoluția ca punct de plecare pentru a construi mașini complexe care ar fi fost extrem de greu de conceput.”
