Похититель ДНК: бактериофаг с собственной иммунной системой
Бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии — получили новое, неожиданное оружие в эволюционной гонке вооружений со своими жертвами. Исследователи из Университета Тафтса обнаружили фаг, который украл у бактерий их адаптивную иммунную систему CRISPR/Cas и использует её для собственной атаки.
Захват системы защиты
Учёные под руководством профессора молекулярной биологии Эндрю Камилли и постдока Кимберли Сиз изучали фаги, атакующие Vibrio cholerae — бактерию, вызывающую холеру. Анализируя замороженные образцы стула пациентов с холерой из Бангладеш (2001–2010 гг.), они обнаружили, что один штамм фага — ICP1 — присутствовал во всех образцах на протяжении десятилетия, в то время как другие фаги появлялись и исчезали.
Секвенирование ДНК ICP1 показало невероятное: фаг обладал полноценной работающей системой CRISPR/Cas. Ранее такие системы находили только у бактерий и архей. CRISPR/Cas действует как молекулярный фотоальбом, хранящий фрагменты ДНК прошлых захватчиков, что позволяет быстро распознавать и уничтожать их при повторной атаке.
Контрнаступление вируса
Исследователи предположили, как фаг использует украденную систему. При вторжении в холерный вибрион CRISPR/Cas фага нацеливается на гены, которые бактерия использует для защиты от вирусной инфекции, и разрезает их. Это обезоруживает клетку, позволяя фагу беспрепятственно размножаться.
Эксперимент подтвердил эту гипотезу. Учёные создали мутантный штамм V. cholerae с ДНК, незнакомой CRISPR/Cas фага. Большинство таких бактерий успешно отразили атаку ICP1. Однако в нескольких случаях фаг всё же победил. Победивший вирус смог захватить фрагменты ДНК бактерии-хозяина и добавить их в свою собственную систему CRISPR/Cas, чтобы использовать против аналогичных бактерий в будущем.
"Это доказательство гонки между хозяином и патогеном", — говорит Эндрю Камилли. — "В тех редких фагах, которым удалось прорваться, клетка-хозяин не смогла остановить его достаточно быстро".
Живые антибиотики будущего?
Это открытие может иметь большие последствия для медицины. Устойчивость бактерий к антибиотикам — растущая глобальная проблема. Бактериофаги, способные эволюционировать вместе со своими мишенями, рассматриваются как потенциальная альтернатива — "живые антибиотики".
"Вы можете выделить фаг, убивающий конкретный вид бактерий, за неделю", — отмечает Камилли. — "Если у бактерий развивается устойчивость к фагу, фаг может дать ответ".
Хотя некоторые фаговые продукты (например, EcoShield против E. coli на продуктах) уже одобрены FDA, клинические испытания терапии для людей — дело отдалённого будущего, в основном из-за регуляторных барьеров.
Главный же вывод исследования лежит в фундаментальной науке: оно демонстрирует невероятную адаптивность и сложность вирусов, которые продолжают удивлять исследователей своими эволюционными стратегиями.