Это может быть сюжет шпионского триллера военного времени или пошаговый спарринг мастеров дзюдо. Но вместо этого это реальная история молекулярной войны между микробами, которая начинается, когда вирус захватывает бактерию и вводит ее ДНК, что является первым шагом к заражению.
Ученым уже столетие известно, что вирусы атакуют и иногда убивают бактерии, во многом так же, как люди заболевают гриппом. Но только недавно они начали понимать биохимию, происходящую, когда бактерии и вирусы стремятся к конкурентному преимуществу, что имеет далеко идущие последствия для медицины и многого другого.
Десять лет назад «никто не думал, что у бактерий есть сложная адаптивная иммунная система», - сказал Блейк Виденхефт, доцент кафедры микробиологии и иммунологии Университета штата Монтана в Колледже литературы и науки и Колледже сельского хозяйства.
С тех пор, однако, исследователи обнаружили механизм, с помощью которого бактерии владеют машиноподобными молекулами, которые обнаруживают и уничтожают вторгающиеся вирусы. Этот иммунный ответ называется CRISPR, аббревиатура, описывающая, как бактерии включают фрагменты вирусной ДНК в свой собственный геном, чтобы распознавать вирусы и бороться с ними в будущем.
Для Виденхефта, всемирно признанного эксперта в этой области, растущие знания о CRISPR подняли другие вопросы: нашли ли вирусы способы разрушить бактериальную защиту? И если да, то как?
«Вирусы ужасны», - сказал Виденхефт. «И мы начинаем узнавать о творческом репертуаре стратегий, которые они разработали, чтобы избежать обнаружения, кроме их носителей».
В последнем открытии своей команды, опубликованном в научной статье в журнале Molecular Cell 11 марта, Виденхефт описывает не только новые детали защиты CRISPR в природе, но и открытие, которое расширяет понимание учеными того, как находчивые вирусы.
Используя мощный электронный микроскоп и передовые методы обработки изображений, Виденхефт и его сотрудник, доцент Научно-исследовательского института Скриппса Габриэль Ландер, смогли увидеть, как сложная молекула CRISPR реагирует на вирусную ДНК, разворачивая молекулярную руку, которую Виденхефт сравнивает с «маяк». Ландер и Виденхефт являются ведущими соавторами статьи.
Маяк похож на «красный мигающий свет, который сигнализирует об опасности», служащий биохимическим сигналом для других молекул CRISPR для уничтожения вируса, объяснил Виденхефт.
Сюрприз пришел, когда исследователи поняли, что маяк напоминает белок, который, как известно, вырабатывает вирус. Совпадение было невероятно точным.
«Похоже, вирус украл маяк и использует его в качестве приманки», - сказал Виденхефт. Другими словами, выпуская молекулы белка, похожего на маяк, в бактерии, вирус может сбить с толку сигнал тревоги CRISPR. «Это гениально и коварно».
«Это открытие предполагает, что вирусы могут вырабатывать контрзащиту, заимствуя части самой иммунной системы (CRISPR) и перераспределяя их, чтобы заглушить иммунный ответ», - сказал Виденхефт..
Это не первый раз, когда команда Виденхефта обнаруживает такую вирусную подрывную деятельность. В 2014 году его команда и группа международных коллег опубликовали статью, показывающую, что так называемые «анти-CRISPR» могут блокировать бактериальную иммунную систему, используя комбинацию стратегий. В 2017 году они опубликовали результаты, показывающие, что два других анти-CRISPR препятствуют тому, чтобы иммунная система распознавала вирус, либо имитируя ДНК, либо функционируя как грубые клинья, которые блокируют машины вирусного наблюдения.
Что делает самое последнее открытие важным, так это то, что это первый наблюдаемый случай вируса, имитирующего настоящий белок CRISPR, сказал Вайденхефт.
По словам Виденхефта, остается открытым вопрос, «украл» ли вирус маяк, то есть напрямую присвоил его, или же он развился независимо.
«Далее мы хотим проверить эту эволюционную гипотезу напрямую» и посмотреть, можно ли поймать вирус на месте, сказал Виденхефт.
Если им это удастся, это откроет возможности для создания анти-CRISPR в лаборатории, что может иметь серьезные последствия в медицине, сказал Виденхефт. Вирусы уже используются в качестве альтернативного средства против устойчивых к антибиотикам бактерий, и разработка их способности преодолевать естественную защиту CRISPR может в дальнейшем помочь в лечении вредоносных бактерий.