Каталогизация скрытого арсенала природы: вирусы, заражающие бактерии

Учёные постоянно ищут новые и улучшенные способы борьбы с бактериями — будь то для уничтожения болезнетворных штаммов или для модификации потенциально полезных. И хотя люди изобрели множество умных лекарств и инструментов генной инженерии для этих задач, эти подходы могут казаться грубыми по сравнению с тонко настроенными атаками бактериофагов — вирусов, заражающих бактерии.

Фаги, как и другие паразиты, постоянно эволюционируют, находя способы нацеливаться на определённые штаммы бактерий-хозяев и использовать их, а бактерии, в свою очередь, развивают средства защиты. Эти вечные битвы за выживание порождают невероятно разнообразный молекулярный арсенал, который исследователям не терпится изучить, хотя это может быть утомительным и трудоёмким процессом.

Чтобы понять эти защитные стратегии, команда учёных из Беркли разработала эффективный и недорогой новый метод. Как сообщается в PLOS Biology, команда показала, что комбинация трёх методов может выявить, какие рецепторы бактерий используют фаги для заражения клетки, а также какие клеточные механизмы бактерии используют для ответа на инфекцию.

"Несмотря на почти столетнюю молекулярную работу, лежащие в основе механизмы взаимодействия фаг-хозяин известны лишь для нескольких пар, где хозяин — хорошо изученный модельный организм, который можно культивировать в лаборатории", — сказал автор-корреспондент Вивек Муталик. "Однако фаги представляют собой самые многочисленные биологические объекты на Земле, и из-за их воздействия на бактерии они являются ключевыми драйверами круговорота питательных веществ в окружающей среде, сельскохозяйственной продуктивности, а также здоровья человека и животных. Стало необходимым получить больше фундаментальных знаний об этих взаимодействиях, чтобы лучше понять микробиомы планеты и разработать новые лекарства, такие как вакцины на основе бактерий или коктейли из фагов для лечения устойчивых к антибиотикам инфекций".

Проливая свет на "тёмную материю"

Трёхкомпонентный подход команды, названный библиотеками с штрих-кодированием потери и усиления функции, использует установленный метод создания делеций генов, а также повышения экспрессии генов для идентификации того, какие гены бактерии используют для уклонения от фагов. Эта информация также говорит учёным, на какие рецепторы нацелены фаги, без необходимости анализировать геномы самих фагов. (Однако учёные планируют адаптировать метод для использования на вирусах в будущем, чтобы узнать ещё больше об их функции.)

Муталик и его коллеги протестировали свой метод на двух штаммах E. coli, которые, как известно, являются мишенями для 14 генетически разнообразных фагов. Их результаты подтвердили, что метод работает гладко, быстро выявляя тот же набор рецепторов фагов, который был ранее идентифицирован в ходе десятилетий исследований, а также предоставил новые цели, упущенные в более ранних исследованиях.

По словам Муталика, подход также можно масштабировать для одновременной оценки взаимоотношений с фагами для сотен бактерий, отобранных из различных сред. Это значительно облегчит учёным изучение биологической "тёмной материи" планеты, то есть некультивируемых и поэтому плохо изученных микроорганизмов, которых много в окружающей среде. Фактически, по оценкам, 99% всех живых микроорганизмов нельзя культивировать в лаборатории.

Подход команды также представляет возможность стандартизировать генетические ресурсы, используемые в исследованиях фагов (что всегда было ad-hoc и весьма изменчивым процессом), и создавать совместно используемые реагенты и наборы данных.

"Роль фагов — огромная 'известная-неизвестность', поскольку мы знаем, что фаги есть везде, но почти ничего больше о них не знаем. Например, мы понимаем менее 10% генов, закодированных в ранее секвенированных геномах фагов", — сказал Муталик. "Теперь, когда у нас наконец-то есть оптимизированный инструмент для изучения фагов, есть много захватывающих вопросов, на которые мы можем начать отвечать, и возможность изменить мир к лучшему".