Новое исследование: как бактерии приобретают иммунитет

Учёные из Университета Райса применили современные методы вычислительной биологии для изучения влияния естественного отбора и эволюции на приобретение иммунитета у бактерий.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, основано на крупном открытии последнего десятилетия: у бактерий и подобных одноклеточных организмов существует приобретённая иммунная система.

"Эта работа открывает невообразимые ранее вещи. Есть и практический интерес: считается, что бактериальная иммунная система использует процесс, подобный РНК-интерференции, для подавления распознанных генов болезней. Биотехнологические компании могут разработать это в инструмент для "выключения" конкретных генов", — говорит Майкл Дим, профессор биохимической и генетической инженерии.

Исследование сосредоточено на участке бактериального генома CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Он содержит два типа последовательностей ДНК:

1. Короткие повторяющиеся паттерны (отсюда название CRISPR).
2. "Разделители" (spacers) между повторами — именно их организм использует для распознавания угроз.

"Бактерии атакуются вирусами-бактериофагами, а CRISPR содержит генетические последовательности от этих фагов. Система CRISPR наследуема и программируема: некоторые последовательности могут быть изначально, новые добавляются при атаках новых фагов в течение жизненного цикла", — поясняет Дим.

Повторяющиеся последовательности служат "маркерами", определяющими начало и конец фрагмента фага. В CRISPR обычно содержится от 30 до 50 таких фрагментов. Если последовательность фага есть в CRISPR, бактерия может уничтожать любую соответствующую ей ДНК или РНК, защищаясь от атак.

Цель исследования: понять, как история воздействия фагов на бактерию отражается в её CRISPR.

Известно, что последовательности фагов добавляются в CRISPR последовательно. Самый новый фрагмент находится на позиции 1. В 2007 году учёные обнаружили статистическую аномалию: вероятность найти одинаковый фрагмент в CRISPR у двух разных организмов экспоненциально растёт по мере удаления от позиции 1. То есть, фрагмент на самой дальней позиции (например, 30-й) наиболее вероятно будет одинаковым у всех бактерий в популяции.

Для компьютерного моделирования этого процесса Дим и аспирант Цзянькуй Хэ создали математические уравнения, описывающие взаимодействие популяций бактерий и фагов через CRISPR.

"Каждая популяция пытается расшириться, и на обе стороны постоянно действует давление отбора. Это отражается в CRISPR со временем. В первом спейсере разнообразный набор генов, но второй спейсер находится там дольше, поэтому на него оказано большее давление отбора. Бактерии, содержащие в CRISPR доминантный штамм вируса, с большей вероятностью выживают и вытесняют более уязвимых соседей. На позиции N, наиболее удалённой от позиции 1, отбор работал дольше всего. Поэтому гены, которые мы там находим, были наиболее распространёнными и давали организму наибольшую общую защиту", — объясняет Дим.

Помимо биотехнологических компаний, механизм работы CRISPR интересует фармацевтов, разрабатывающих новые типы антибиотиков.