У бактерий обнаружен необычный механизм самоуничтожения для защиты от вирусов

Американские ученые из исследовательского института Gladstone Institutes обнаружили необычную систему защиты бактерий от вирусов, которая действует практически противоположным образом по сравнению с ранее известными механизмами бактериального иммунитета. При заражении вирусом клетка запускает сложную молекулярную реакцию, завершающуюся ее собственным уничтожением. Таким образом бактерия препятствует распространению инфекции среди соседних клеток.

Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Cell. Ученые изучали особую группу защитных систем, называемых ретронами (retrons), которые способны производить короткие одноцепочечные молекулы ДНК и использовать их для регулирования внутриклеточных процессов.

Бактерии постоянно подвергаются нападениям бактериофагов – вирусов, проникающих внутрь клеток и использующих их для производства собственных копий. Некоторые бактериальные защитные системы устроены так, что зараженная клетка уничтожает себя прежде, чем вирус успевает размножиться. Гибель одной бактерии при этом помогает защитить всю колонию.

В ранее изученных ретронах токсичный белок присутствует в клетке постоянно, но его действие подавляется специальными молекулами ДНК. После вирусного заражения защитный механизм нарушается, токсин активируется и уничтожает клетку.

Однако ретроны шестого типа, исследованные группой под руководством Сета Шипмана, работают совершенно иначе. В здоровых клетках ученые практически не обнаруживали ни характерной одноцепочечной ДНК, ни токсичного белка. Первоначально исследователи даже предположили, что эти ретроны неисправны.

Эксперименты показали обратное: система эффективно защищает бактерии от бактериофагов. Оказалось, что после заражения вирусом клетка резко увеличивает производство специальной ДНК. Эта ДНК взаимодействует с молекулой РНК, блокирующей синтез токсичного белка, и снимает запрет на его производство.

Образовавшийся токсин представляет собой чрезвычайно небольшой белок, способный внедряться в клеточную мембрану и нарушать ее целостность. В результате зараженная бактерия погибает, не позволяя вирусу продолжить размножение.

"Это, безусловно, самая странная система ретронов, с которой нам или кому-либо еще приходилось сталкиваться", – отметил руководитель исследования Сет Шипман. По его словам, сложность обнаруженного молекулярного механизма оказалась неожиданной даже для специалистов.

Чтобы разобраться в его работе, ученым пришлось применять нестандартные экспериментальные методы. В частности, технология Spacer-seq, использующая компоненты системы CRISPR-Cas, позволила обнаружить ничтожные количества ДНК, которые не удавалось выявить обычными способами.

Открытие представляет интерес не только для фундаментальной микробиологии. Исследователи считают, что подобные молекулярные переключатели могут найти применение в технологиях редактирования генов, создании искусственных биологических сенсоров и разработке новых антибактериальных препаратов.

В частности, необычайно маленькие токсичные белки, разрушающие мембраны бактерий, могут стать основой новых способов борьбы с патогенными микроорганизмами. Однако эти направления пока находятся на стадии исследований, и о создании готовых лекарств речь не идет.