'Микробное пиратство' открывает новый путь борьбы с лекарственно-устойчивыми инфекциями
Исследователи обнаружили, как «пиратские фаги» захватывают другие вирусы, чтобы проникнуть в бактерии и распространить новый генетический материал, в том числе опасные признаки.
Учёные из Имперского колледжа Лондона выяснили, как бактериофаги могут захватывать другие вирусы, чтобы проникнуть в бактериальные клетки и распространиться. Этот акт микробного пиратства потенциально можно использовать в медицине.
Открытие, опубликованное в журнале Cell, раскрывает важный путь, с помощью которого бактерии приобретают новый генетический материал, включая признаки, которые могут сделать их более вирулентными или устойчивыми к антибиотикам. Исследователи полагают, что это также может открыть новые пути борьбы с глобальной угрозой устойчивости к противомикробным препаратам (AMR) и разработки быстрых диагностических инструментов.
Фаги (или бактериофаги) — это вирусы, которые заражают и убивают бактерии. Они являются одними из самых многочисленных организмов на Земле и часто высокоспецифичны, каждый «настроен» на атаку только одного вида бактерий. Структурно они напоминают микроскопические шприцы: с «головкой», упакованной ДНК, и хвостовой частью с шиповидными волокнами, которые цепляются за бактерии и вводят свой генетический груз.
Но сами фаги не защищены от паразитов. Их могут атаковать небольшие генетические элементы, известные как фаговые сателлиты, которые захватывают собственный генетический механизм фага для размножения.
В новом исследовании учёные сосредоточились на мощном семействе фаговых сателлитов — капсид-образующих фаг-индуцибельных хромосомных островках (cf-PICIs). Эти генетические элементы могут распространять гены устойчивости к антибиотикам и вирулентности и обнаружены у более чем 200 видов бактерий. Однако оставалось неясным, как им удаётся так эффективно перемещаться.
Микробное пиратство
Впервые обнаруженные командой в 2023 году, cf-PICIs могут строить собственные капсиды (вирусные «головки»), но у них отсутствуют хвосты. Это означает, что сами по себе они производят неинфекционные частицы, то есть не способны заражать фаги. В новой работе исследователи из Центра биологии устойчивости бактерий Имперского колледжа обнаружили недостающий элемент головоломки: cf-PICIs захватывают хвосты у неродственных фагов, создавая гибридные «химерные» вирусы. В результате получается химерный фаг, несущий ДНК cf-PICI в собственном капсиде, но с присоединённым фаговым хвостом.
Ключевой момент: некоторые cf-PICIs могут захватывать хвосты у совершенно разных видов фагов, эффективно расширяя свой спектр хозяев. Поскольку именно хвост определяет, на какие бактерии нацелена атака, это пиратство даёт cf-PICIs способность проникать в новые виды бактерий, что объясняет их широкое распространение в природе.
По мнению исследователей, последствия могут быть важны для науки. Понимая и используя это молекулярное пиратство, учёные полагают, что можно перепрограммировать сателлиты для атаки на устойчивые к антибиотикам бактерии, преодоления таких защитных механизмов бактерий, как биоплёнки, и даже разработки мощных новых диагностических инструментов.
«Эти пиратские сателлиты не только показывают нам, как бактерии обмениваются опасными признаками, — объясняет доктор Тиаго Диас да Коста с кафедры наук о жизни Имперского колледжа. — Они могут вдохновить на создание терапий и тестов следующего поколения, чтобы перехитрить некоторые из самых сложных инфекций, с которыми мы сталкиваемся».
Команда уже успешно подала патенты для дальнейшей разработки работы и надеется начать тестирование прикладных применений технологии.
Профессор Хосе Пенадес с кафедры инфекционных заболеваний Имперского колледжа сказал: «Наша ранняя работа впервые идентифицировала эти странные генетические элементы, и мы обнаружили, что они, по сути, являются паразитами паразита. Теперь мы знаем, что эти мобильные генетические элементы образуют капсиды, которые могут менять «хвосты», взятые у других фагов, чтобы доставить свою собственную ДНК в клетку-хозяина. Это гениальная уловка эволюционной биологии, но она также учит нас больше о том, как гены устойчивости к антибиотикам могут распространяться через процесс, называемый трансдукцией».
Доктор Диас да Коста добавил: «Эта экспериментальная работа проливает больше света на важный метод переноса генов у бактерий. Если мы сможем использовать и модифицировать cf-PICIs, это может дать нам ценный новый инструмент в борьбе с устойчивостью к противомикробным препаратам».
Инструмент ИИ-сотрудника учёного
В связанном проекте, координируемом через Инициативу Флеминга — партнёрство между Имперским колледжем Лондона и Имперским колледжем здравоохранения NHS Trust, — исследователи использовали свою экспериментальную работу для проверки революционной платформы ИИ, разработанной Google.
Платформа, названная «сотрудником-учёным», предназначена для помощи учёным в разработке более умных экспериментов и ускорении открытий. Это исследование также опубликовано в Cell.
Чтобы протестировать платформу, команда поставила перед ИИ те же фундаментальные научные вопросы, которые двигали их собственной работой: как cf-PICIs распространяются по такому количеству видов бактерий?
Имея эту отправную точку и используя веб-поиск, научные статьи и базы данных, ИИ самостоятельно сгенерировал гипотезы, которые отражали экспериментально доказанные идеи команды, — фактически указав на те же эксперименты, на установление которых ушли годы работы, но сделав это за несколько дней.
Исследователи говорят, что это показывает огромный потенциал систем ИИ для «суперзаряда науки» не путём замены человеческого понимания, а путём его ускорения. Они сейчас работают с Google над дальнейшим развитием платформы и изучением того, как она может изменить темп биомедицинских исследований.