Bakterie i ich wojna z wirusami
W naturalnych ekosystemach mikroorganizmy żyją w stanie nieustannego zagrożenia ze strony wirusów. Aby przetrwać w niesprzyjających warunkach, bakterie wykształciły na drodze ewolucji adaptacyjny układ odpornościowy nazywany CRISPR-Cas. „Jedną z najbardziej interesujących właściwości tego układu odpornościowego jest fakt, że mikroorganizmy są w stanie zapamiętywać poszczególne wirusy”, wyjaśnia Stan Brouns, koordynator projektu i profesor nadzwyczajny biologii molekularnej Uniwersytetu Technicznego w Delft w Holandii. „Układ działa na zasadzie zbierania i przechowywania informacji genetycznych na temat wirusów”. Brouns dokonał tego odkrycia, gdy zaobserwował bakterie uruchamiające odpowiedź immunologiczną przeciwko silnie zmutowanym wirusom. „Taka obserwacja wskazuje na fakt, że układ CRISPR-Cas zapamiętuje zagrożenia i pamięta je przez długi czas”, twierdzi badacz. „Takie rozwiązanie może stanowić olbrzymią przewagę ewolucyjną”.
Pamięć długoterminowa
Brouns postanowił skoncentrować się na tym odkryciu i sprawdzić, dokąd go zaprowadzi. W tym celu skorzystał ze wsparcia Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w ramach projektu REMEMBER, który pozwolił mu przenieść się na Uniwersytet Techniczny w Delft, gdzie otworzył swoje własne laboratorium i zgromadził zespół utalentowanych badaczy. „Moim celem było ustalenie sposobu działania mechanizmu, na którym opiera się zapamiętywanie wirusów”, zauważa. „Wiemy, że wirusy mutują, jednak nie wiemy, w jaki sposób bakterie mogą aktualizować swoją pamięć i jednocześnie pozostawać o krok przed nimi”. Wykorzystując połączone metody badawcze z zakresu biochemii i genetyki, w tym najnowocześniejsze techniki obrazowania żywych komórek bakterii pałeczki okrężnicy, zespół Brounsa był w stanie dokonać kilku zaskakujących odkryć. „Najważniejszym pytaniem, na które próbowaliśmy odpowiedzieć, było to, w jaki sposób bakterie są w stanie aktualizować swoją pamięć”, dodaje. „Odkryliśmy, że molekularne »nożyce genetyczne«, przypominające nieco te odkryte przez tegoroczne zdobywczynie Nagrody Nobla w dziedzinie chemii stanowią kluczowy czynnik pozwalający na obronę przed wirusami”. Wspomniane rozwiązanie jest wykorzystywane przez bakterie do odcinania fragmentów kodu genetycznego wirusów. Niszczenie ich DNA jest połączone z tworzeniem nowych „wspomnień” – to właśnie to połączenie sprawia, że banki pamięci w układzie CRISPR są na bieżąco aktualizowane. „Odkryliśmy również rolę pewnego nowego białka, którego zadaniem jest zapewnianie działania nożyc molekularnych oraz gwarantowanie funkcjonalności pozyskanych zapisów”, wyjaśnia Brouns. „Po raz pierwszy mogliśmy również zobaczyć z bliska jak w rzeczywistości działa układ CRISPR w komórkach”. Dzięki zastosowaniu zaawansowanej mikroskopii, zespół Brounsa był w stanie przeanalizować sposób, w jaki nożyce molekularne skanują DNA w celu znalezienia kluczowych fragmentów kodu genetycznego. „To niezwykle złożone zadanie – komórki są przecież pełne DNA”, twierdzi badacz. Odkryliśmy, że nożyce molekularne działają z ogromną szybkością – dzięki temu wiemy także, dlaczego układy CRISPR są tak wydajne i sprawne”.
Nowe możliwości
Brouns uważa, że nowe odkrycia dokonane w ramach projektu REMEMBER przyczynią się do rozwoju naszej wiedzy na temat złożonych relacji ewolucyjnych między bakteriami i wirusami. „W ramach naszych prac udało nam się wykazać istnienie procesu ciągłej aktualizacji układów CRISPR oraz sposobu jej działania”, zauważa badacz. Brouns twierdzi również, że naukowcy w Stanach Zjednoczonych wykazali, że pamięć układu CRISPR może być wykorzystywana w celu magazynowania danych biologicznych, co oznacza między innymi możliwość przekształcenia obrazów komputerowych w sekwencje DNA i przechowywanie ich w układach CRISPR. Obecnie Brouns buduje biobank bakteriofagów – wirusów zwalczających bakterie. „Jedną z potencjalnych możliwości jest wykorzystanie tych wirusów w roli alternatywy dla antybiotyków”, dodaje. „Zanim jednak będzie możliwe wykorzystanie ich w leczeniu pacjentów, konieczne jest przeprowadzenie wielu badań. Warto jednak już teraz zastanowić się, czy któregoś dnia będziemy mogli użyć tych wirusów jako leków, a jeśli tak, w jaki sposób możemy zapobiegać wytwarzaniu odporności na te wirusy przez bakterie i ich układy CRISPR”.
Słowa kluczowe
REMEMBER, wirus, bakteria, odporność, antybiotyki, CRISPR, molekularne, biologia, genetyka