Бактерии сражаются с вирусами, используя огромный арсенал молекулярного оружия, о котором ученые до сих пор не знали.
В двух статьях, опубликованных на днях в журнале Science, две группы ученых описывают разработанные ими алгоритмы машинного обучения, предназначенные для скрининга бактериальных геномов и выявления белков, участвующих в защите микроорганизмов от вирусных захватчиков. В ходе анализа были выявлены сотни тысяч потенциальных противовирусных белков, которые исследователи могут использовать для разработки инновационных биотехнологий. «Это настоящая сокровищница для любого биохимика», — говорит Хосе Антонио Эскудеро, микробиолог из Национального центра биотехнологии в Мадриде, который не участвовал ни в одном из этих исследований.
К предыдущим открытиям в области противовирусных иммунных систем бактерий относятся система редактирования генов CRISPR–Cas9 и белки, расщепляющие ДНК, называемые рестриктазами. Исследователи перепрофилировали обе эти системы для создания молекулярных инструментов генной инженерии. «Есть надежда, что, возможно, из некоторых из этих новых систем появится следующее поколение молекулярных инструментов», — отмечает Майкл Лауб, микробиолог из Массачусетского технологического института и соавтор одного из исследований. «Большая часть генома бактерии по-прежнему остается «темной материей», — объясняет Эскудеро. — Есть много вещей, о которых мы не знаем, как они работают и что они из себя представляют».
Предыдущие исследования подтвердили, что бактерии используют более 250 белков для защиты от вирусных инфекций. Ученые и ранее предполагали, что настоящая иммунная система бактерий гораздо шире и разнообразнее, «но главный вопрос заключался в том: насколько она разнообразна и как мы можем реально предугадать ее масштабы?», — говорит Од Бернхейм, микробиолог из Института Пастера в Париже и соавтор другой статьи. В своём исследовании Бернхайм и её коллеги обучили модели глубинного обучения на данных о белках и геномах с целью прогнозирования антивирусных систем. Их целью было выявить «весь спектр разнообразия бактериального иммунитета», — рассказала Бернхайм. По результатам анализа было подсчитано, что в среднем 1,5% генов в бактериальном геноме соответствуют белкам, участвующим в антивирусном иммунитете — это в три раза больше, чем показывали предыдущие оценки. Более 85% предсказанных семейств белков ранее не ассоциировались с иммунитетом. Лабораторные эксперименты на двух видах бактерий — Escherichia coli и Streptomyces albus — подтвердили наличие 12 «антифаговых» систем, участвующих в отражении бактериофагов. Ранее эти системы не связывали с противовирусной защитой.
В своей статье Лауб и его коллеги разработали отдельный инструмент машинного обучения под названием DefensePredictor, который прогнозирует бактериальные иммунные белки на основе данных о генах и белках из 17 000 бактериальных геномов. В ходе тестирования на 69 различных штаммах E. coli программа DefensePredictor выявила 624 белка, связанных с иммунными системами защиты, более 100 из которых ранее были неизвестны. В ходе лабораторных экспериментов Лауб и его коллеги подтвердили защитную активность в 42 случаях. Оба исследования пришли к одному и тому же выводу: ученые «сильно недооценивали количество защитных систем», говорит Лауб. Исследование «проливает свет на то, сколько систем еще предстоит охарактеризовать», добавляет он. Среди открытий — «сотни генов, о связи которых мы ранее ничего не знали», — говорит Эскудеро.
Лауб и его коллеги сделали DefensePredictor свободно доступным в Интернете для использования исследователями. Бернхайм и ее коллеги также создали базу данных с открытым доступом под названием DefenseFinder, которая содержит более 44 000 предсказанных противовирусных систем. Исследователи могут использовать эти ресурсы для проверки противовирусных свойств вновь идентифицированных белков. Лауб сообщает, что его группа уже изучает молекулярные механизмы, посредством которых работают некоторые из этих бактериальных иммунных систем. «Существуют действительно интересные вопросы о том, как они распознают фаговую инфекцию и как препятствуют репликации фага», — добавляет он.
Будущие исследования этих иммунных систем могут помочь в разработке новых противовирусных препаратов или прецизионных молекулярных инструментов. «Это может стать новой биотехнологической революцией», — считает Эскудеро. Лауб также надеется, что дальнейшие исследования позволят лучше понять эволюционную историю иммунитета. «Все больше ученых приходят к выводу, что некоторые аспекты иммунитета млекопитающих сохранились еще со времен бактерий», — объясняет он. «Это действительно расширяет возможности данной области — не только в микробиологии, но и в гораздо более широком понимании того, что на самом деле представляет собой иммунитет во всех сферах жизни», — соглашается Бернхайм.
