Ученые из Университета Джонса Хопкинса утверждают, что им удалось выяснить, как бактерии защищаются от некоторых фагов-захватчиков: они забирают генетический материал у ослабленных, спящих фагов и используют его для собственной «вакцинации», чтобы стимулировать иммунный ответ.
Так, по результатам своих экспериментов ученые выяснили, что бактерии Streptococcus pyogenes пользуются преимуществами класса фагов, известных как умеренные фаги, которые могут либо убивать клетки, либо переходить в спящий режим. В период их покоя бактерии крадут генетический материал у фагов и формируют биологическую «память» о захватчике, которую их потомство наследует по мере размножения бактерий. Вооружившись этой памятью, новая популяция может распознать эти вирусы и дать им отпор.
Отчет об экспериментах был опубликован 12 марта в журнале Cell Host & Microbe. Полученные результаты помогают ученым лучше понять, как может возрастать степень патогенности бактерий - в этом процессе участвуют гены, экспрессируемые дремлющими фагами, которые живут внутри бактериальной клетки, поясняет соавтор статьи Джошуа Моделл. «По сути, мы хотели ответить на вопрос: если у бактериальных клеток нет памяти или навыков выживания для борьбы с новым умеренным фагом, который появляется, как они выигрывают достаточно времени, чтобы создать новую память?» - говорит Моделл.
Уже давно известно, что бактерии используют системы CRISPR-Cas, чтобы разрушить ДНК фага. Важно, что CRISPR-системы могут уничтожать только ту ДНК, которая соответствует «памяти», полученной в результате предыдущей инфекции и сохраненной в собственном геноме бактерии. Таким образом, система CRISPR действует как записывающее устройство, которое документирует длинный список чужеродных захватчиков, с которыми сталкивался конкретный бактериальный штамм.
Для проведения исследования ученые заразили популяции бактерий фагами естественного происхождения, которые находятся в спящем состоянии, или генетически сконструированными фагами, не находящимися в спящем состоянии. «Наши результаты показывают, что CRISPR-система бактерий была более эффективна при использовании естественно спящего фага для извлечения частей вирусного генетического кода в свой геном», - рассказывает Моделл. «Когда мы тестировали фаги, не способные переходить в спящий режим, система CRISPR работала не так эффективно».
Выделив выжившие бактерии, ученые с помощью секвенирования геномов составили каталог сотен тысяч новых ДНК, созданных системой CRISPR Cas9 из тестовых фагов, и остановились на тех, которые способствуют укреплению бактериального иммунитета. Ученые также определили, что бактерии создали эту "память" в период «спячки» умеренного фага, когда он не представлял угрозы для популяции. «Концептуально это похоже на вакцину с аттенуированным вирусом», - говорит Моделл. «Мы считаем, что именно по этой причине система CRISPR Cas9 имеет уникальные отношения с этим конкретным классом умеренных фагов. Мы можем использовать подобные эксперименты, чтобы выяснить, какие элементы фага, бактериального хозяина и его CRISPR-системы важны для всех стадий бактериального иммунитета», - отмечает он.
В будущих экспериментах ученые намерены узнать больше о том, как CRISPR-системы защищают клетки бактерий от фагов, которые не впадают в спячку. «Мы знаем, что CRISPR-системы являются одной из первых линий обороны против передачи опасных генов от фагов, которые делают бактериальные клетки патогенными», - говорит Моделл. Кроме того, наши исследования позволят разработать «фаговую терапию», которая может быть использована в клинических случаях, когда бактериальная инфекция устойчива ко всем имеющимся антибиотикам».
