Как бактерии «вакцинируют» себя генетическим материалом от спящих вирусов

Бактерии, как и люди, подвергаются атакам вирусов — бактериофагов (фагов). Учёные из Johns Hopkins Medicine выяснили, как бактерии Streptococcus pyogenes (возбудитель стрептококковой ангины) защищаются от определённого класса фагов — температных фагов, которые могут либо убивать клетку, либо переходить в спящее (дремлющее) состояние.

Ключевой механизм: бактерии «крадут» генетический материал у темперных фагов именно в период их дремлющего состояния и формируют биологическую «память» о захватчике. Эта память, хранящаяся в их геноме, наследуется потомством при делении. Новые поколения бактерий, имея такую память, способны распознавать эти вирусы и эффективно бороться с ними.

Роль CRISPR-Cas: бактерии используют систему CRISPR-Cas для уничтожения ДНК фагов. Однако эта система может разрушать только ту ДНК, которая соответствует «памяти», полученной от предыдущей инфекции и сохранённой в геноме бактерии. Таким образом, CRISPR действует как записывающее устройство, документирующее встречи с чужеродными захватчиками.

Эксперимент и выводы:

• Учёные заражали популяции бактерий естественными темперными фагами (способными к дремлющему состоянию) и генетически модифицированными недремлющими фагами.
• Система CRISPR-Cas9 была значительно эффективнее в использовании материала от естественных дремлющих фагов для создания новых «воспоминаний» в геноме бактерий.
• С помощью секвенирования генома исследователи каталогизировали сотни тысяч новых ДНК-воспоминаний, созданных системой Cas9, и определили, что они формируются именно в период дремлящего состояния фага, когда он не представляет угрозы.

Значение исследования:

• Помогает понять, как бактериальные клетки, вызывающие серьёзные заболевания (стафилококк, E. coli, холера), становятся токсичными для человека — этот процесс часто связан с токсичными генами, которые экспрессируются дремлющими фагами внутри бактериальной клетки.
• Концептуально процесс аналогичен вакцинации ослабленным вирусом.
• Исследование проливает свет на ранние линии защиты от передачи опасных генов от фагов и может помочь в разработке фаговой терапии для случаев, когда бактериальная инфекция устойчива ко всем антибиотикам.