Naukowcy odkryli, że bakterie same się „szczepią” przeciwko wirusom

Najnowsze badania przeprowadzone przez naukowców z Johns Hopkins Medical Center rzucają nowe światło na zdolności adaptacyjne bakterii w obliczu ataków wirusowych. Zespół badawczy odkrył, że bakterie potrafią wykorzystywać materiał genetyczny wirusów do tworzenia tzw. "pamięci immunologicznej", co pozwala im skuteczniej bronić się przed przyszłymi infekcjami. Wyniki tych badań opublikowano w renomowanym czasopiśmie naukowym Cell Host & Microbe.

Bakterie, podobnie jak organizmy wyższe, są narażone na ataki wirusów, znanych jako bakteriofagi lub fagi. Te wirusy infekują bakterie, wstrzykując swój materiał genetyczny do komórki gospodarza, co często prowadzi do jej śmierci. Aby przetrwać w tak nieprzyjaznym środowisku, bakterie wykształciły system obronny znany jako CRISPR-Cas. Ten mechanizm pozwala im "zapamiętywać" sekwencje genetyczne wirusów, z którymi miały kontakt, co umożliwia szybkie rozpoznanie i zniszczenie patogenu przy kolejnej infekcji.

Dotychczas nie było jasne, w jaki sposób bakterie są w stanie stworzyć taką pamięć immunologiczną, nie ginąc przy pierwszym kontakcie z wirusem. Badacze z Johns Hopkins Medical Center skupili się na bakterii Streptococcus pyogenes, znanej z wywoływania anginy paciorkowcowej, aby zgłębić ten mechanizm. Odkryli, że kluczową rolę w tym procesie odgrywają tzw. fagi umiarkowane.

Fagi umiarkowane to specyficzna klasa wirusów, które po infekcji bakterii mogą obrać jeden z dwóch kierunków działania. Pierwszy z nich to cykl lityczny, w którym wirus namnaża się wewnątrz komórki bakteryjnej, prowadząc do jej zniszczenia i uwolnienia nowych cząsteczek wirusa. Drugi to cykl lizogeniczny, w którym materiał genetyczny wirusa integruje się z genomem bakterii i pozostaje w stanie uśpienia, nie powodując natychmiastowej śmierci komórki gospodarza.

W trakcie tego stanu hibernacji bakterie mają możliwość "kradzieży" fragmentów materiału genetycznego faga i włączenia ich do swojego systemu CRISPR-Cas. W ten sposób tworzą "pamięć immunologiczną", która jest przekazywana kolejnym pokoleniom bakterii. Dzięki temu, gdy ten sam wirus zaatakuje ponownie, bakterie są w stanie szybko go rozpoznać i unieszkodliwić, co zwiększa ich szanse na przeżycie.

Mechanizm ten można porównać do działania szczepionek u ludzi, które wprowadzają do organizmu osłabione lub nieaktywne patogeny, aby nauczyć układ odpornościowy rozpoznawania i zwalczania prawdziwych zagrożeń w przyszłości. Podobnie bakterie wykorzystują osłabione fagi do budowania swojej odporności na przyszłe infekcje.

Odkrycie to ma potencjalnie ogromne znaczenie dla medycyny, zwłaszcza w kontekście rosnącej oporności bakterii na antybiotyki. Zrozumienie mechanizmów działania systemu CRISPR-Cas może otworzyć nowe drogi w walce z opornymi szczepami bakterii. Jednym z obiecujących kierunków jest rozwój terapii fagowej, polegającej na wykorzystaniu wirusów do precyzyjnego niszczenia niebezpiecznych bakterii.

Terapia fagowa nie jest nowym pomysłem; jej korzenie sięgają początków XX wieku. Jednak wraz z odkryciem antybiotyków jej rozwój został zahamowany. Obecnie, w obliczu narastającego problemu oporności na antybiotyki, terapia fagowa przeżywa renesans. Dzięki nowym odkryciom, takim jak to dokonane przez naukowców z Johns Hopkins Medical Center, możliwe staje się opracowanie bardziej skutecznych i precyzyjnych metod leczenia infekcji bakteryjnych.

Zrozumienie, w jaki sposób bakterie uczą się od wirusów i tworzą własną pamięć immunologiczną, może również pomóc w projektowaniu nowych strategii terapeutycznych. Na przykład, manipulując systemem CRISPR-Cas, można by zwiększyć podatność bakterii na określone fagi, co uczyniłoby terapię fagową bardziej efektywną. Ponadto, takie podejście mogłoby pozwolić na selektywne celowanie w patogenne bakterie, minimalizując wpływ na pożyteczną mikroflorę organizmu.

Warto również zwrócić uwagę na potencjalne zastosowania biotechnologiczne tego odkrycia. System CRISPR-Cas, inspirowany naturalnymi mechanizmami obronnymi bakterii, stał się potężnym narzędziem do edycji genomu. Lepsze zrozumienie, jak bakterie integrują materiał genetyczny wirusów do swojego systemu CRISPR-Cas, może prowadzić do udoskonalenia technik edycji genetycznej, co ma szerokie zastosowanie w medycynie, rolnictwie i biotechnologii.