SPARDA: Ένα Σύστημα Αυτοκαταστροφής και Αυτοάμυνας στα Βακτήρια με Δυνατότητες Βιοτεχνολογίας
Το CRISPR πυροδότησε μια χρυσή εποχή γενετικής έρευνας, αλλά στη φύση υπάρχουν εκατοντάδες παρόμοια συστήματα με ανεξερεύνητες δυνατότητες για επεξεργασία γονιδίων. Τώρα, οι επιστήμονες έχουν κάνει τεράστια βήματα στην εξήγηση του τρόπου λειτουργίας ενός αινιγματικού συστήματος που ονομάζεται SPARDA.
Τα συστήματα CRISPR έχουν επιτρέψει στους επιστήμονες να επεξεργάζονται γενετικές πληροφορίες ευκολότερα από ποτέ. Αν και είναι πιο γνωστό για τη χρήση του στην επεξεργασία γονιδίων, το CRISPR είναι στην πραγματικότητα ένα προσαρμοσμένο βακτηριακό αμυντικό σύστημα που επαναπροσδιορίστηκε για ανθρώπινη χρήση.
Μια πρόσφατη μελέτη στο περιοδικό Cell Research αναδεικνύει ένα άλλο βακτηριακό αμυντικό σύστημα, γνωστό ως SPARDA (σύντομη προκαρυωτική αργοναύτης, συνδεδεμένη με DNάση), και οι εξελίξεις αυξάνουν τις δυνατότητες για βιοτεχνολογικά εργαλεία που προέρχονται από το SPARDA και θα μπορούσαν να ενισχύσουν διαγνωστικές μεθόδους που χρησιμοποιούν ήδη το CRISPR.
Μοριακοί αργοναύτες
Ο Mindaugas Zaremba, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Βίλνιους στη Λιθουανία και συν-συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε στο Live Science ότι πριν από τη νέα εργασία, οι ερευνητές είχαν διεξάγει μόνο περιορισμένες μελέτες των συστημάτων SPARDA. Είχαν διαπιστώσει ότι οι πρωτεΐνες που απαρτίζουν το σύστημα υιοθετούν μια προσέγγιση καμικάζι στην κυτταρική άμυνα, προστατεύοντας τον ευρύτερο πληθυσμό των βακτηρίων από ξένο DNA, συμπεριλαμβανομένου του ελεύθερου DNA που ονομάζεται πλασμίδια και των ιών που ονομάζονται φάγοι.
“Τα συστήματα SPARDA αποδείχθηκαν ότι προστατεύουν τα βακτήρια από πλασμίδια και φάγους υποβαθμίζοντας το DNA τόσο των μολυσμένων κυττάρων όσο και των εισβολέων, σκοτώνοντας έτσι το κύτταρο-ξενιστή, αλλά ταυτόχρονα αποτρέποντας την περαιτέρω εξάπλωση της μόλυνσης εντός του βακτηριακού πληθυσμού”, δήλωσε ο Zaremba.
Ο τρόπος λειτουργίας του SPARDA σε μοριακό επίπεδο παρέμενε ασαφής, ωθώντας τον Zaremba και την ομάδα του να χρησιμοποιήσουν το εργαλείο ανάλυσης πρωτεϊνών AI AlphaFold, μεταξύ μιας σειράς άλλων τεχνικών ανάλυσης, για να εμβαθύνουν στη ρύθμιση του SPARDA. Το AlphaFold χρησιμοποιεί μηχανική μάθηση για να προβλέψει το τρισδιάστατο σχήμα των πρωτεϊνών με βάση την αλληλουχία των υποκείμενων δομικών στοιχείων τους.
Το σύστημα SPARDA είναι χτισμένο από πρωτεΐνες αργοναύτη, που πήραν το όνομά τους από την ομοιότητά τους με τα χταπόδια αργοναύτες (Argonauta). Οι πρωτεΐνες εντοπίστηκαν αρχικά στα φυτά, όπου τα σπορόφυτα που επηρεάστηκαν από μεταλλάξεις σε αυτές τις πρωτεΐνες ανέπτυξαν στενά φύλλα που θύμιζαν στους επιστήμονες τα πλοκάμια ενός χταποδιού. Αυτές οι πρωτεΐνες αργοναύτη είναι εξελικτικά διατηρημένες και υπάρχουν σε κύτταρα και στα τρία βασίλεια της ζωής.
Η ανάλυση του Zaremba εξέτασε συστήματα SPARDA που επιλέχθηκαν τυχαία από δύο διαφορετικά βακτήρια. Το πρώτο, το Xanthobacter autotrophicus, είναι ένα μικρόβιο που ζει στο έδαφος, αποφεύγει το ηλιακό φως και παράγει την τροφή του από τοπικά παραγόμενο άζωτο. Το δεύτερο, το Enhydrobacter aerosaccus, βρέθηκε για πρώτη φορά στη λίμνη Wintergreen του Μίσιγκαν και διαθέτει ενσωματωμένους αερόσακους που το βοηθούν να επιπλέει σε υδάτινα περιβάλλοντα.
Η ομάδα του Zaremba αφαίρεσε τα συστήματα SPARDA από αυτά τα βακτήρια και τα τοποθέτησε στον αξιόπιστο μοντέλο οργανισμό E. coli για μελέτη. Μια μοριακή ανάλυση αποκάλυψε ότι κάθε μία από τις πρωτεΐνες αργοναύτη τους περιλάμβανε μια κρίσιμη “ενεργοποιητική περιοχή”. Ονόμασαν αυτή την περιοχή βήτα-relay, επειδή έμοιαζε με ηλεκτρικούς διακόπτες ρελέ που ελέγχουν τα μηχανήματα μεταβαίνοντας μεταξύ των καταστάσεων “on” ή “off”.
Όταν τα συστήματα SPARDA εντόπισαν εξωτερικές απειλές, αυτοί οι διακόπτες άλλαξαν σχήμα. Το νέο σχήμα επέτρεψε στις πρωτεΐνες να σχηματίσουν συμπλέγματα με άλλες ενεργοποιημένες πρωτεΐνες αργοναύτη. Όταν συμβαίνει αυτό, οι πρωτεΐνες παρατάσσονται σαν στρατιώτες σε παρέλαση, σχηματίζοντας μακριές, σπειροειδείς αλυσίδες. Αυτές οι αλυσίδες τεμαχίζουν οποιοδήποτε περιβάλλον DNA συναντήσουν σε μια ακραία αντίδραση που δεν χαρίζει ούτε στον ξενιστή ούτε στον εισβολέα. Αυτό εμποδίζει την εξάπλωση της μόλυνσης σε άλλα κύτταρα.
Στη συνέχεια, η ομάδα του Zaremba χρησιμοποίησε το AlphaFold για να σαρώσει για βήτα-relays σε παρόμοιες βακτηριακές πρωτεΐνες. Οι ίδιοι διακόπτες εμφανίστηκαν επανειλημμένα, υποδηλώνοντας ότι τα ρελέ είναι ένα καθολικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου πρωτεΐνης.
SPARDA σε διαγνωστικά
Το SPARDA είναι απαραίτητο για την βακτηριακή άμυνα, αλλά η ομάδα του Zaremba υποστηρίζει ότι το σύστημα θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους ανθρώπους.
Η ενεργοποίηση του SPARDA είναι ένας ελιγμός ύστατης ανάγκης για τα βακτηριακά κύτταρα, που πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο όταν υπάρχει οριστικά μια μόλυνση. Επομένως, το σύστημα περιλαμβάνει ένα εξαιρετικά ακριβές σύστημα αναγνώρισης για τον εντοπισμό ξένου DNA που θα δικαιολογούσε την αυτοκαταστροφή.
Οι ερευνητές θα μπορούσαν να επαναπροσδιορίσουν το σύστημα για διαγνωστικούς σκοπούς, πρότεινε ο Zaremba. Σε αυτό το σενάριο, το βήτα-relay θα μπορούσε να τροποποιηθεί ώστε να ενεργοποιείται μόνο όταν εντοπιστεί μια γενετική αλληλουχία ενδιαφέροντος – έτσι θα αντιδρούσε μόνο στο γενετικό υλικό ενός ιού της γρίπης ή του SARS-CoV-2, για παράδειγμα. Αυτός ο μηχανισμός υποστηρίζει τα υπάρχοντα διαγνωστικά εργαλεία που βασίζονται στο CRISPR.
Ωστόσο, τα διαγνωστικά CRISPR είναι επί του παρόντος περιορισμένα στη λειτουργία τους – αναγνωρίζουν στόχους μόνο όταν ορισμένες αλληλουχίες DNA, που ονομάζονται αλληλουχίες PAM, τους πλαισιώνουν. Αυτές οι αλληλουχίες είναι σαν τα άκρα ενός βύσματος· εάν δεν ταιριάζουν σε μια πρίζα, το σύστημα δεν θα έχει καμία ισχύ. Αυτό σημαίνει ότι η επιλογή της σωστής πρωτεΐνης CRISPR για να ταιριάζει με έναν συγκεκριμένο στόχο είναι απαραίτητη.
“Γνωρίζουμε ήδη ότι τα συστήματα SPARDA δεν απαιτούν αλληλουχία PAM”, δήλωσε ο Zaremba. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σαν ένας καθολικός προσαρμογέας, δίνοντας στα μελλοντικά διαγνωστικά DNA περισσότερη ευελιξία και τελικά κάνοντας τις εξετάσεις καλύτερες στον εντοπισμό μιας σειράς μικροβίων.
