Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые задокументировали, как очень большие вирусы перепрограммируют клеточный механизм бактерий во время инфекции, чтобы они больше походили на клетку животного или человека - процесс, который позволяет этим инопланетным захватчикам обманным путем заставить клетки производить сотни новых вирусов, которые в конечном итоге взрываются и убивают заражаемые ими клетки.
В статье, опубликованной в выпуске журнала Science от 13 января, исследователи провели серию экспериментов, которые позволили им детально рассмотреть, что происходит внутри бактериальных клеток по мере репликации вторгшихся вирусов.
«Ученые изучают вирусы уже сто лет, но мы никогда раньше не видели ничего подобного», - сказал Джо Польяно, профессор молекулярной биологии, возглавлявший исследовательскую группу. «Каждый эксперимент приносил что-то новое и интересное в эту систему».
Вирусы, поражающие бактерии, также известные как бактериофаги, являются одними из самых многочисленных существ на Земле.
«Мы решили изучить семейство необычайно крупных бактериофагов и применить передовые методы, чтобы наблюдать за их репликацией с беспрецедентной точностью», - сказал Кит Польяно, профессор молекулярной биологии, участвовавший в исследовании.
Джо Польяно и его коллеги обнаружили, что вскоре после того, как бактериофаги заражают бактерии, они разрушают большую часть существующей архитектуры бактериальных клеток, включая бактериальную ДНК, а затем захватывают оставшиеся клеточные механизмы. Затем вирусы реорганизуют всю клетку в эффективную централизованную фабрику по производству вирусов следующего поколения.
«Эта фабрика и окружающее ее расположение зараженной клетки удивительно похожи на организацию, наблюдаемую в растительных и животных клетках», - сказал Польяно.
У бактерий отсутствуют многие специализированные структуры, которые разделяют клеточные процессы в растительных или животных клетках, которые биологи называют «эукариотическими» клетками. Бактерии, например, не имеют закрытого ядра, которое содержит генетическую информацию и действует как центр управления клеткой.
Но Воррапон Чайкиератисак, научный сотрудник с докторской степенью, и Катрина Нгуен, аспирант лаборатории Польяно, обнаружили, что вторгающиеся вирусы организуют структуры внутри бактерий, чтобы имитировать структуры эукариотических клеток.
Используя флуоресцентную микроскопию, два биолога обнаружили, что, когда вирусы размножаются внутри бактериальных клеток, они создают компартменты для разделения различных процессов, происходящих во время инфекции.
«Эти компартменты заключают в себе всю вирусную ДНК, точно так же, как ядро в клетке растения или млекопитающего», - сказал Чайкиератисак, первый автор статьи.«Процессы ДНК, такие как репликация или транскрипция, происходят внутри компартмента, в то время как белки продуцируются вне компартмента».
Элизабет Вилла, профессор химии и биохимии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, и Дэвид Агард, профессор биохимии и биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, использовали специальную технику, называемую «криоэлектронной томографией», для получения изображений. процессов, которые Чайкеератисак и Нгуен первоначально обнаружили при чрезвычайно большом увеличении.
На этих фотографиях видно, как потомство вируса собирается вокруг ядра, похожего на компартмент бактерии. В конце концов, эти новые вирусы разрывают клетку и распространяются, чтобы заразить соседние клетки.
«Эти наблюдения вирусных манипуляций с клеткой совершенно неожиданны, поскольку ни один бактериальный вирус не был замечен настолько радикальным образом реорганизующим клетку», - сказал Польяно. «Реструктуризация простой клетки, чтобы она напоминала существующую более сложную систему, стирает грань между простыми бактериальными клетками и клетками «высших» организмов, таких как растения и животные."
Может быть, так эволюционировали многоклеточные организмы? Одна из существующих теорий, называемая «вирусным эукариогенезом», предполагает, что первая эукариотическая клетка была создана, когда большой вирус поглотил бактерию. В конце концов бактерия и вирус сформировали составную клетку, в которой вирус превратился в ядро.
«Возможно, еще слишком рано знать, является ли этот конкретный вирус промежуточным этапом в переходе от бактерий и вирусов к многоклеточным эукариотам, но это открытие может расширить знания о происхождении жизни, какой мы ее знаем», - сказал он. Польяно.