Naukowcy donoszą: bakterie inwestują w przyszłość, by przetrwać ciężkie czasy

Mimo to bakterie wraz z inną grupą mikroorganizmów nazywaną archeowcami (pierwszy raz zostały one odkryte  w czeluściach wygasłych podmorskich kraterów wulkanicznych) radzą sobie wręcz doskonale. Dzieje się tak przede wszystkim dzięki ich wrodzonemu „systemowi obronnemu”, który chroni je przed licznymi wirusami i innymi grożącymi im niebezpieczeństwami.

Ostatnimi czasy grupa naukowców z University of Georgia odkryła jak ów „system obronny” działa. Odkrycie to może w najbliższej przyszłości poskutkować stworzeniem nowej klasy antybiotyków oraz poszerzeniem naszej wiedzy dotyczącej funkcjonowania genów mikroorganizmów i kultur bakterii używanych w produkcji żywności (wyroby nabiałowe takie jak jogurt lub ser) i w przemyśle biotechnologicznym.

Założenia, przebieg oraz wyniki badań opublikowano w listopadowym numerze magazynu Cell.

Micheal Terns, profesor biochemii i biologii molekularnej z UGA's Franklin College of Arts and Sciences: „Zrozumienie procesu samoobrony bakterii niesie za sobą niezwykle istotną wiedzę o tym, jak możemy osłabiać bakterie, które są szkodliwe, a jak wzmacniać te pomocne człowiekowi. Mamy także nadzieję, że uda nam się tę wiedzę rozwinąć na tyle, by jeszcze bardziej przyśpieszyć badania nad mikroorganizmami”.

Pozostali współautorzy publikacji to: Rebecca Terns (doświadczona badaczka z dziedziny biochemii i biologii molekularnej z UGA), Caryn Hale (była studentka Ternsów z UGA), Lance Wells (profesor biochemii i biologii molekularnej z Georgia Cancer Coalition Scholar na UGA) oraz jego były student, Peng Zhao. Naukowej pomocy udzielili także profesor nadzwyczajny Sara Olson, prof. nadzw. Michael Duff oraz prof. nadzw. Brenton Gravely z University of Connecticut Health Center

W obręb systemu, mechanizmy którego odkryto w laboratorium Ternsów (prywatnie są oni małżeństwem), wchodzi tak zwany „dynamiczny duet” tworzony przez bakteryjne RNA, które rozpoznaje i fizycznie przyłącza się do wirusowych molekułów oraz proteiny, które otaczają i likwidują szkodliwą komórkę wirusową, która mogłaby stanowić dla bakterii niebezpieczeństwo.

To, co sprawia, że „dynamiczny duet” potrafi rozpoznać wrogą komórkę to odpowiednia pozycja genomów danej bakterii bądź archeowca. Nazywamy to „CRISPR”. Nazwa ta stanowi skrót od angielskiego sformułowania: „clustered regularly interspaced short palindromic repeats”, oznaczającego mniej więcej: „grupa regularnie odseparowanych od siebie, krótkich palindromicznych powtórzeń” (palindromami nazywamy słowa lub zdania, które czytane w przód i na wspak oznaczają to samo). Mimo to RNA wchodzące w skład CRISPR nie walczy w wrogiem w osamotnieniu.

Tym, co pomaga RNA w zmaganiach, są proteiny Cas, które tworzą się na bazie garnituru genów nazywanego „garniturem CRISPR” lub genami Cas. Wspólnie tworzą one „system CRISPR-Cas”. Publikacja opisuje ten duet oraz sposób, w jaki walczy on z zagrożeniami.

Rebeca Terns: „Można to zrozumieć, wyobrażając sobie psa policyjnego, który węszy ślady i wskazuje drogę, którą przemieszcza się złodziej oraz policjanta, który goni za delikwentem i rozprawia się z nim. Działa to tak, jak ludzki system odpornościowy, który nieustannie wypatruje i chroni nasz organizm przed intruzami. Z tą różnicą, że w przypadku bakterii zajmuje się tym RNA CRISPR, a nie antyciała.”

Grupa naukowców odkryła tak zwany „moduł RAMP”, na który składają się RNA CRISPR oraz podzbiór protein. To on rozpoznaje i niszczy RNA wroga.

„Dzięki tym badaniom, zostały ujawnione niezwykle interesujące podobieństwa pomiędzy bakteryjnym systemem CRISPR-Cas, a ludzkim systemem immunologicznym. Co więcej, w bliskiej przyszłości mogą pojawić się możliwości innowacyjnych badań nad bakteriami chorobotwórczymi. Możliwym jest także przemienienie funkcji systemu CRISPR-Cas w mechanizm samobójczy, który unicestwiałby patogenetyczne bakterie atakując ich własne molekuły. To proces podobny do procesu samozniszczenia w ludzkich chorobach autoimmunologicznych,” mówi dr Lauri Tompkins, przewodniczący komisji z National Institutes of Health's National Institute of General Medical Sciences, zajmującej się przyznawaniem grantów w dziedzinie badań nad genetyką.

Wiedza dotycząca sposobu, w jaki system rozprawia się z wrogiem stanowi niesłychaną możliwość gwałtownego rozwoju badań w tej dziedzinie. Jak dotąd CRISPR zostały dostrzeżone w połowie znanych człowiekowi bakteryjnych genomów oraz w prawie wszystkich genomach archeowców. Tak duża liczba wskazuje na to, że umiejętność manipulowania systemem CRISPR-Cas może mieć wiele zastosowań. Przykładowo, wyniki owych badań pomogą w tworzeniu nowych systemów CRISPR-Cas, które będą pomagać w niszczeniu szkodliwego RNA w komórkach bakterii.

Michel Tarns: „Mogłoby to pomóc w zwalczaniu wirusów, które wyniszczają kultury bakterii używanych w przemyśle do produkcji enzymów. Mogłyby również pomóc samym bakteriom w walce z patogenami znajdującymi się w nich samych. Mając dużą wiedzę na temat protein Cas, jesteśmy teraz w stanie przeciąć łańcuch RNA w dowolnej, wybranej przez nas pozycji.”

„Może się to wydawać rzeczą niemożliwą, lecz na marginesie naszych badań odkryliśmy także zjawisko dziedziczenia systemu immunologicznego w świecie bakterii. Jest to o tyle innowacyjne, ponieważ proces ten nie zachodzi w ludzkim organizmie,” dodaje Rebecca Terns.

Co warte najwyższego podziwu, naukowcy są już gotowi do kolejnych badań i dalszego przyczyniania się w  rozwoju wiedzy na temat bakteryjnego systemu immunologicznego.