Открытие новых механизмов иммунной защиты бактерий может привести к созданию новых биотехнологических инструментов

До недавнего времени ученые не знали, что у бактерий есть сложные иммунные системы, способные противостоять быстрой эволюции вирусов-бактериофагов. Ситуация изменилась с открытием CRISPR — самого известного бактериального иммунного механизма, который произвел революцию в биологических исследованиях. Теперь известно, что у большинства микроорганизмов есть сложные иммунные системы, частью которых является CRISPR, но эффективных способов их идентификации не было.

В масштабном систематическом исследовании профессор Ротем Сорек и его команда из Института Вейцмана выявили существование 10 ранее неизвестных механизмов иммунной защиты у бактерий. «Обнаруженные нами системы не похожи ни на что из виденного ранее», — говорит Сорек. — «Среди них, мы считаем, есть одна или две, которые могут расширить инструментарий для редактирования генов, а другие указывают на истоки иммунной системы человека». Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Бактерии не могут полагаться только на CRISPR в войне с фагами, объясняет Сорек. Многие фаги имеют «анти-CRISPR» белки, которые нейтрализуют активность CRISPR, что предполагает существование других компенсирующих систем. Поиск этих систем команда начала с создания компьютерной программы для анализа всех секвенированных бактериальных геномов — около 50 000. Алгоритмы искали не последовательности с заданными характеристиками, а «статистические сигнатуры» генов, вовлеченных в защиту (например, их расположение в «островах защиты»). Затем, поскольку гены иммунной системы редко работают поодиночке, исследователи разработали сложные компьютерные методы анализа, чтобы понять, какие гены объединяются в защитные системы.

Сократив список возможных защитных генов с миллионов до нескольких сотен, ученые приступили к экспериментальной проверке кандидатов. Вместо выделения генетических последовательностей из сотен бактерий команда использовала методы синтетической биологии: заказала синтез генов. Было синтезировано десятки различных многогенных систем общей длиной около 400 000 нуклеотидных оснований («букв» генетического кода). Эти синтетические системы встроили в лабораторные бактерии, у которых были инактивированы естественные иммунные системы. Затем бактерии подвергли воздействию фагов и других инфекционных элементов. Десять систем продемонстрировали сильную защиту бактерий от заражения, что подтвердило их статус новых иммунных механизмов.

Исследование, потребовавшее интенсивной работы шести человек в течение двух лет, включало как компьютерный анализ, так и эксперименты. Команда регулярно собиралась на «совет обороны» для обсуждения хода работы.

Как функционируют новые системы, пока неизвестно. Некоторые, по словам Сорека, «по-видимому, имеют удивительные функции, которые мы начинаем исследовать». Одна из систем содержит домены Toll-Interleukin Receptor (TIR). Эти домены ранее были известны как часть иммунной системы человека и растений, но никогда не обнаруживались в антивирусной защите бактерий. «Наши находки показывают, что некоторые важные компоненты нашей собственной иммунной системы имеют глубокие эволюционные корни в бактериальных механизмах иммунитета», — говорит Сорек.

Другие гены, по-видимому, были «заимствованы» из неиммунных бактериальных систем. Например, один из них известен по работе в жгутиках, которые бактерии используют для движения. Эти гены обеспечивают жгутики энергией, позволяя им захватывать протоны; одна из новых защитных систем использует эти гены для защиты от фагов. Другая система, конденсин, обычно защищает ДНК во время деления клетки. Исследователи обнаружили защитную систему, которая использует компоненты механизма конденсина для защиты бактерий от вторжения плазмид — маленьких колец ДНК, которые могут паразитировать в бактериальных клетках.

«Тот факт, что нам удалось найти 10 новых бактериальных защитных систем, подразумевает, что их существует еще больше», — говорит Сорек. Его лаборатория продолжает поиск новых систем и начинает углубленное изучение наиболее перспективных из них, чтобы понять механизмы их работы.

Новые открытия интересны как с точки зрения эволюции иммунных систем и вечной борьбы между вирусами и их хозяевами, так и с практической. Сорек считает, что некоторые системы могут стать мощными инструментами для биологических исследований: «Любая иммунная система по определению должна очень специфично и гибко нацеливаться на вторгающиеся элементы, и мы можем использовать это нацеливание в биотехнологических целях — как мы делали с CRISPR и рестрикционными ферментами до него. Любая из новых систем, которые мы нашли, может стать следующим инструментом для редактирования генов или даже основой для еще более впечатляющих молекулярных инструментов».