Επιστήμονες ανακαλύπτουν ότι τα βακτήρια μπορούν να “εκραγούν” για να διασπείρουν την αντοχή στα αντιβιοτικά
Οι παράγοντες μεταφοράς γονιδίων (GTAs) μοιάζουν με βακτηριοφάγους (ιούς που μολύνουν βακτήρια), αλλά δεν είναι πλέον επιβλαβείς εισβολείς. Αντίθετα, προέρχονται από αρχαίους ιούς που τα βακτήρια έχουν προσαρμόσει και θέσει υπό τον δικό τους έλεγχο.
Σωματίδια σαν ιούς μεταφέρουν DNA μεταξύ κυττάρων
Αυτά τα σωματίδια λειτουργούν σαν μικροσκοπικά οχήματα παράδοσης. Παραλαμβάνουν θραύσματα DNA από ένα βακτηριακό κύτταρο και τα μεταφέρουν σε άλλα κοντινά. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται οριζόντια μεταφορά γονιδίων, επιτρέπει στα βακτήρια να μοιράζονται γρήγορα χρήσιμα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που τα βοηθούν να επιβιώσουν από τις θεραπείες με αντιβιοτικά.
Ένα βασικό στάδιο σε αυτή τη διαδικασία είναι η λύση του κυττάρου-ξενιστή, το σπάσιμο ενός βακτηριακού κυττάρου ώστε τα σωματίδια GTA να απελευθερωθούν. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες δεν κατανοούσαν πλήρως πώς αυτά τα σωματίδια έφευγαν από τα κύτταρα-ξενιστές τους.
Συστάδα γονιδίων ελέγχει τη λύση του κυττάρου
Σε έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Nature Microbiology, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο διαλογής βασισμένη σε βαθιά αλληλούχιση για να εντοπίσει τα γονίδια που εμπλέκονται στη δραστηριότητα των GTA στο βακτήριο μοντέλο Caulobacter crescentus.
Ανέδειξαν ένα σύστημα τριών γονιδίων που ονομάζεται LypABC, το οποίο παράγει βακτηριακές πρωτεΐνες. Όταν αφαιρέθηκαν τα γονίδια lypABC, τα κύτταρα δεν μπορούσαν πλέον να σπάσουν για να απελευθερώσουν σωματίδια GTA. Όταν το σύστημα υπερενεργοποιήθηκε, πολλά κύτταρα υπέστησαν λύση. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το LypABC λειτουργεί ως κεντρικός κόμβος ελέγχου για αυτή τη διαδικασία.
Ένα ανοσοποιητικό σύστημα επαναχρησιμοποιήθηκε για τη μεταφορά γονιδίων
Ένα από τα πιο εκπληκτικά ευρήματα είναι ότι το LypABC μοιάζει στενά με ένα βακτηριακό ανοσοποιητικό σύστημα κατά των βακτηριοφάγων. Περιέχει πρωτεϊνικά συστατικά που συνήθως συνδέονται με την άμυνα κατά των ιών. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, το σύστημα φαίνεται να έχει επαναχρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στην απελευθέρωση σωματιδίων GTA και να προωθήσει τη μεταφορά γονιδίων.
Αυτή η εργασία, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Γιορκ και το Ινστιτούτο Rowland στο Χάρβαρντ, υπογραμμίζει πώς τα βακτήρια μπορούν να επαναχρησιμοποιήσουν υπάρχοντα βιολογικά συστήματα με απροσδόκητους τρόπους.
Ο αυστηρός έλεγχος είναι απαραίτητος για την επιβίωση
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης μια ρυθμιστική πρωτεΐνη που βοηθά να διατηρείται η δραστηριότητα των GTA υπό αυστηρό έλεγχο. Αυτός ο έλεγχος είναι κρίσιμος επειδή η λανθασμένη ενεργοποίηση του LypABC μπορεί να είναι εξαιρετικά τοξική για τα βακτηριακά κύτταρα.
Αποκαλύπτοντας πόσο ευέλικτα μπορούν να είναι τα βακτηριακά συστήματα, η μελέτη παρέχει βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα γονίδια μετακινούνται μεταξύ των κυττάρων. Αυτή η διαδικασία παίζει σημαντικό ρόλο στην εξάπλωση της αντοχής στα αντιβιοτικά.
Νέες ενδείξεις στον αγώνα κατά της αντοχής στα αντιβιοτικά
Η πρώτη συγγραφέας της μελέτης, Δρ. Έμμα Μπανκς, Ερευνήτρια Young Commission for the Exhibition of 1851 Research Fellow, δήλωσε: “Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον είναι ότι το LypABC μοιάζει με ανοσοποιητικό σύστημα, αλλά τα βακτήρια το χρησιμοποιούν για να απελευθερώσουν σωματίδια GTA. Υποδηλώνει ότι τα ανοσοποιητικά συστήματα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν τα βακτήρια να μοιράζονται DNA μεταξύ τους – μια διαδικασία που μπορεί να συμβάλει στην εξάπλωση της αντοχής στα αντιβιοτικά.”
Το επόμενο βήμα είναι να κατανοήσουμε πώς ενεργοποιείται το σύστημα LypABC και πώς ελέγχει τη ρήξη των βακτηριακών κυττάρων για την απελευθέρωση σωματιδίων GTA.
Η έρευνα έχει ρίξει νέο σημαντικό φως στους εχθρούς-που-έγιναν-σύμμαχοι που επιτρέπουν στα βακτήρια να ανταλλάσσουν γονίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που συνδέονται με την αντοχή στα αντιμικροβιακά (AMR).
Οι γνώσεις αυτές, που διευρύνουν την κατανόησή μας για την κύρια παγκόσμια απειλή για την υγεία της AMR, προέκυψαν καθώς ερευνητές του John Innes Centre διερεύνησαν τα περίεργα φαινόμενα των παραγόντων μεταφοράς γονιδίων (GTAs).
Αυτά τα σωματίδια που φέρουν γονίδια μοιάζουν με βακτηριοφάγους (ιούς που μολύνουν βακτήρια), αλλά έχουν εξημερωθεί από αρχαίους ιούς και χρησιμοποιούνται για ωφέλιμους σκοπούς υπό τον έλεγχο του βακτηριακού κυττάρου-ξενιστή.
Λειτουργώντας ως κούριερ, παραλαμβάνουν πακέτα βακτηριακού DNA του ξενιστή και τα παραδίδουν σε γειτονικά βακτήρια. Αυτή η “ανιδιοτελής” κοινή χρήση, γνωστή ως οριζόντια μεταφορά γονιδίων, μπορεί να διαδώσει γρήγορα χρήσιμα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που παρέχουν αντοχή σε αντιβιοτικά φάρμακα που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία λοιμώξεων.
Ένα κρίσιμο στάδιο ζωής του GTA είναι η λύση του κυττάρου-ξενιστή: η διάσπαση ενός κυττάρου-ξενιστή για την απελευθέρωση σωματιδίων GTA γεμάτων DNA. Προηγουμένως, δεν ήταν σαφές πώς τα σωματίδια GTA διέφευγαν από τα βακτηριακά κύτταρα-ξενιστές τους.
Σε αυτή τη μελέτη, που εμφανίζεται στο Nature Microbiology, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο διαλογής βασισμένη σε βαθιά αλληλούχιση για να αναγνωρίσει γονίδια κρίσιμα για τη λειτουργία των GTA στο βακτήριο μοντέλο Caulobacter crescentus.
Αυτό ανέδειξε έναν κόμβο ελέγχου τριών γονιδίων, το LypABC, που κωδικοποιεί βακτηριακές πρωτεΐνες. Όταν διαγράφηκαν αυτά τα γονίδια lypABC, τα βακτήρια δεν μπορούσαν πλέον να λυθούν για να απελευθερώσουν σωματίδια GTA. Αντίθετα, υπερεκφράζοντας τον κόμβο lypABC, πέτυχαν πολύ υψηλή αναλογία κυττάρων που λύονταν. Μαζί, αυτά τα πειράματα αναγνώρισαν το LypABC ως μηχανισμό ελέγχου για τη λύση κυττάρων που μεσολαβείται από GTA.
Παραδόξως, το LypABC μοιάζει με ένα βακτηριακό ανοσοποιητικό σύστημα κατά των βακτηριοφάγων, καθώς περιέχει δομικά στοιχεία πρωτεϊνών που συνήθως απαιτούνται για την άμυνα κατά των ιών. Ωστόσο, αυτή η συνεργατική προσπάθεια μεταξύ του John Innes Centre, του Πανεπιστημίου του Γιορκ και του Ινστιτούτου Rowland στο Χάρβαρντ, προτείνει ότι έχει επαναχρησιμοποιηθεί για την απελευθέρωση σωματιδίων GTA για μεταφορά γονιδίων.
Ανέδειξαν επίσης μια ρυθμιστική πρωτεΐνη που απαιτείται για τον αυστηρό έλεγχο τόσο της ενεργοποίησης των GTA όσο και της λύσης που μεσολαβείται από GTA. Αυτός ο έλεγχος είναι σημαντικός, καθώς η λανθασμένη ρύθμιση του LypABC είναι πολύ τοξική για τα βακτηριακά κύτταρα.
Υπογραμμίζοντας την πλαστικότητα των βακτηριακών τομέων, η μελέτη προάγει τη θεμελιώδη γνώση για το πώς συμβαίνει η μεταφορά γονιδίων μεταξύ βακτηριακών κυττάρων και προσφέρει μια σημαντική ένδειξη για την κατανόηση του πώς συμβαίνει η AMR.
Η πρώτη συγγραφέας της μελέτης, Δρ. Έμμα Μπανκς, Fellow Research Fellow της Royal Commission for the Exhibition of 1851, δήλωσε: “Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον είναι ότι το LypABC μοιάζει με ανοσοποιητικό σύστημα, αλλά τα βακτήρια το χρησιμοποιούν για να απελευθερώσουν σωματίδια GTA. Υποδηλώνει ότι τα ανοσοποιητικά συστήματα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν τα βακτήρια να μοιράζονται DNA μεταξύ τους – μια διαδικασία που μπορεί να συμβάλει στην εξάπλωση της αντοχής στα αντιβιοτικά.”
Το επόμενο βήμα για την έρευνα είναι να ανακαλυφθεί πώς ενεργοποιείται ο κόμβος ελέγχου LypABC και πώς λειτουργεί για τον έλεγχο της ρήξης των βακτηριακών κυττάρων και της απελευθέρωσης σωματιδίων GTA.
“Ένα βακτηριακό ανοσοποιητικό σύστημα τύπου CARD-NLR ελέγχει την απελευθέρωση παραγόντων μεταφοράς γονιδίων” δημοσιεύεται στο Nature Microbiology.