Создание современной технологии геномного редактирования, которая уже с успехом применяется на разных животных, растениях, грибах и бактериях, базируется на исследованиях бактериальных систем CRISPR-Cas. Изначально предполагалось, что они участвуют в ликвидации повреждений бактериальной ДНК, но в 2007 г. стало ясно, что истинное предназначение этих систем – борьба с вирусами бактерий, бактериофагами.
Всего за девять лет наука проделала гигантский путь от раскрытия механизма бактериального иммунитета до редактирования геномов людей – в настоящее время уже проводятся первые эксперименты по редактированию ДНК человеческих эмбрионов. У бактерий имеются и другие «иммунные» механизмы, изучение которых, возможно, создаст предпосылки для новых прорывов в биомедицине
Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.
Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al., 1994).
Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изучены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al., 1993).
На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.
В ходе эволюции происходила и сейчас происходит селекция бактерий, способных избежать гибели при инфицировании вирусами, что, в свою очередь, служит стимулом для бактериофагов совершенствовать свои агрессивные стратегии. Эта «гонка вооружений», длящаяся несколько миллиардов лет, т. е. ровно столько, сколько существуют сами бактерии и их враги, породила целый ряд изощренных механизмов защиты и нападения
Вирусная атака начинается с прикрепления фага к специфическому рецептору на поверхности бактериальной клетки, но при потере рецептора или изменении в его структуре связывания вируса не происходит. Бактерии могут менять рецепторы в зависимости от окружающих условий, таких как плотность и разнообразие микроорганизмов в среде, а также доступность питательных веществ (Bikard et al., 2012). Любопытный пример — бактерии вида Vibrio anguillarum, которые способны формировать биопленку, т. е. плотный слой клеток, прикрепленный к какой-либо поверхности. У этой бактерии имеется своего рода «чувство кворума», за счет чего при увеличении плотности клеток у них понижается выработка рецептора, с которым может связываться вирус. В результате биопленка становится почти полностью устойчивой к заражению (Tan et al., 2015).
Однако потеря рецепторов не всегда выгодна для бактерии, поскольку они выполняют разнообразные важные функции, например, транспорт питательных веществ или формирование межклеточных контактов (Lopez-Pascua et al., 2008). В результате для каждой пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции находится оптимальное решение, обеспечивающее приемлемый уровень защиты при сохранении возможности роста бактерий в различных условиях среды.
Следующий защитный механизм – исключение суперинфекции. Для бактериофагов известны два основных пути инфекции: литический, приводящий к быстрой гибели зараженной бактерии с высвобождением вирусного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда наследственный материал вируса находится внутри генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК, не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится в состоянии лизогенной инфекции, то, с точки зрения «домашнего» вируса (профага), ее заражение другим вирусом нежелательно.
Действительно, многие вирусы, встроившие свою ДНК в геном клетки, ограничивают вновь проникшего в клетку бактериофага («суперинфекцию») посредством специальных белков-репрессоров, не позволяющих генам «пришельца» работать (Calendar, 2006). А некоторые фаги даже препятствуют другим вирусным частицам проникнуть в инфицированную ими клетку, воздействуя на ее рецепторы. В результате бактерии – носительницы вируса имеют очевидное преимущество по сравнению с незараженными собратьями.
В 1978 г. за открытие ферментов рестриктаз швейцарский генетик В. Арбер и американские микробиологи Д. Натанс и Г. Смит были удостоены Нобелевской премии. Изучение систем рестрикции-модификации привело к созданию технологии молекулярного клонирования, которая широко применяется во всем мире. С помощью рестриктаз можно «вырезать» гены из генома одного организма и вставить в геном другого, получив химерную рекомбинантную ДНК, не существующую в природе. Различные вариации этого подхода используются учеными для изолирования отдельных генов и их дальнейшего изучения. Кроме того, он широко применяется в фармацевтике, например, для наработки инсулина или терапевтических антител: все лекарства такого рода созданы с помощью молекулярного клонирования, т. е. являются продуктом генной модификации
Во время инфекции все ресурсы бактериальной клетки направлены на производство новых вирусных частиц. Если рядом с такой клеткой будут находиться другие уязвимые бактерии, то инфекция быстро распространится и приведет к гибели большинства из них. Однако для таких случаев у бактерии имеются так называемые системы абортивной инфекции, которые приводят ее к запрограммированной гибели. Конечно, этот «альтруистичный» механизм не спасет саму зараженную клетку, но остановит распространение вирусной инфекции, что выгодно для всей популяции. Бактериальные системы абортивной инфекции очень разнообразны, но детали их функционирования пока изучены недостаточно.
К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации, в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу. Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4—6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.
В ДНК бактерии, содержащей такую систему, все сайты модифицированы. И если бактерия заражается вирусом, ДНК которого не содержит подобной модификации, рестриктаза защитит от инфекции, разрушив вирусную ДНК. Многие вирусы «борются» с системами рестрикции-модификации, не используя в своих геномах последовательности, узнаваемые рестриктазой, – очевидно, что вирусные варианты с другой стратегией просто не оставили потомства.
Последней и в настоящее время самой интересной системой бактериального иммунитета является система CRISPR-Cas, с помощью которой бактерии способны «записывать» в собственный геном и передавать потомству информацию о фагах, с которыми они сталкивались в течение жизни. Наличие таких «воспоминаний» позволяет распознавать ДНК фага и эффективней противостоять ему при повторных инфекциях. В настоящее время к системам CRISPR-Cas приковано пристальное внимание, так как они стали основой революционной технологии редактирования геномов, которая в будущем, возможно, позволит лечить генетические заболевания и создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений.
Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25—40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al., 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а сам процесс приобретения спейсеров – адаптацией.
Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией. Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс, который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012).
Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строении и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al., 2015; Shmakov et al., 2015).
Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli). Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.
В системах II типа эффекторный комплекс образован единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Именно простота и относительная компактность таких систем послужили основой для разработки технологии редактирования ДНК. Согласно этому методу, в клетки эукариот (например, человека) доставляют бактериальный белок Сas9 и крРНК, которую называют гидовой (гРНК). Вместо спейсера вирусного происхождения такая гРНК содержит целевую последовательность, соответствующую интересному для исследователя участку генома, например, где есть мутация, вызывающая какую-то болезнь. Получить же гРНК «на любой вкус» совсем несложно.
Эффекторный комплекс Cas9-гРНК вносит двуцепочечный разрыв в последовательность ДНК, точно соответствующую «гидовой» РНК. Если вместе с Cas9 и гРНК внести в клетку и последовательность ДНК, не содержащую мутацию, то место разрыва будет восстановлено по матрице «правильной» копии!
Таким образом, используя разные гРНК, можно исправлять нежелательные мутации или вводить направленные изменения в гены-мишени. Высокая точность программируемого узнавания мишеней комплексом Cas9-гРНК и простота метода привели к лавинообразному росту работ по редактированию геномов клеток животных и растений (Jiang & Marraffini, 2015).
Чтобы выделить бактерии среди микробов, необходимо убедиться в том, что мы имеем дело с одноклеточным безъядерным организмом. Этим занимаются специалисты — микробиологи.
Микробиология — наука о всех типах микробов, включая бактерии, грибы, вирусы и простейшие — позволяет отличать бактерии от их микробных братьев.
В отличие от других микробов, бактерии выделяют на категории по критериям, которые относятся только к ним:
- Выживаемость в среде без кислорода;
- Форма бактерий: палочки (bacillus), круги (cocci) или спирали (spirillum);
- Есть ли у бактерий внешняя защитная мембрана, препятствующая окрашиванию внутренностей клетки;
- Как бактерии перемещаются (у многих бактерий есть жгутики, которые позволяют им передвигаться).
Большинство бактерий являются полезными, причем зачастую их используют в промышленности, пользуясь одним их ярким качеством: они могут есть то, что не может человек. Бактерии развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.
Именно бактерии вызывают неприятный запах, который появляется в мусорной корзине — они перерабатывают остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы, или если у вас запах изо рта.
Читайте также:
Сколько лет бактериям? Ученые до сих пор не могут ответить на этот вопрос. Предположительно именно они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Сколько до этого существовали сами бактерии — и представить-то сложно. Дело в том, что некоторые бактерии могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Они могут существовать практически вечно.
Несмотря на наличие многие полезных свойств, некоторые бактерии могут быть патогенными, то есть вызывать заболевания и болезни. Например, именно бактерии вызвали чуму: чумная палочка Yersinia pestis убила более 100 миллионов человек. Именно бактерии ответственны за стафилококковые инфекции. Причем они отличаются способностью вырабатывать устойчивость к антибиотикам. Так что бактерии, вызывающие сибирскую язву, пневмонию, менингит, холеру, сальмонеллез, ангину и прочие болезни всегда представляют опасность для нас.
Большинство вредных бактерий удается уничтожить с помощью антибиотиков, однако если прервать лечение раньше времени, те бактерии, которые выживут, выработают устойчивость к лекарству и останутся, дожидаясь следующего шанса. Поэтому врачи рекомендуют завершать курс антибиотиков до конца.
Бактерии также можно использовать как биологическое оружие. Например, именно с их помощью в одно время искусственно устраивали эпидемии сибирской язвы. Поэтому не стоит недооценивать эти одноклеточные организмы. На самом деле мы целиком в их власти.
Бактерии вида Halomonas titanicae прямо сейчас разъедают металл, оставшийся после крушения корабля «Титаник». Представьте, на что они способны. Бактерия Halomonas titanicae потихоньку «обедает» Титаником
Но если бактерии могут быть такими опасными, почему мы больше боимся вирусов, чем бактерий? В отличие от бактерий, вирусы могут поражать не только сложные живые организмы, но и… сами бактерии.
Вирус — неклеточный инфекционный организм, который может жить только внутри живых клеток.
Некоторые вирусы могут уничтожать бактерии
Вирусы могут поразить все организмы, от растений и животных до бактерий и архей. В то же время это паразиты, то есть они не могут выживать сами по себе, в отличие от бактерий. Вирусы используют клетки (человека, растений, животных), чтобы жить. Если вирус оказывается вне клетки, он существует в виде вирусной частицы, но тоже может быть опасен: любой контакт с живой клеткой может активизировать его, дать ему пищу. При этом размножаться клеточным методом вирус не может — свои копии он создает только с помощью живых клеток.
Когда вирус оказывается около клетки, он прикрепляется к ней, создавая связь между белками вирусной оболочки и рецепторами на поверхности живой клетки. С помощью этой связи вирус проникает внутрь клетки и высвобождает свой генетический материал. А там дело за малым — создавать свои копии и заселять таким же образом новые клетки.
Особенность вирусов в том, что они могут меняться не генетическом уровне. Эти изменения приводят к их мутациям в живых организмах; в случае с коронавирусом, например, вирус сначала мог поражать только животных (летучих мышей), а затем изменил ДНК настолько, что получил возможность заражать человеческие клетки.
Чтобы жить, вирусу необходимы живые клетки
Любопытно, что ученые до сих пор не могут прийти к выводу, живые вирусы — или нет. Поэтому вирусы называют «организмами на границе живого».
Вирусы могут быть опаснее бактерий из-за своей возможности меняться на генетическом уровне. Именно так появились вирусы гриппа, иммунодефицита, гепатита A и C. Но если вирусы паразиты и не могут существовать без живых организмов, они ведь как-то появились? Согласно одной из гипотез, вирусы когда-то (миллиарды лет назад) были маленькими бактериями, которые паразитировали на более крупных живых организмах. Позже эти бактерии упростились, лишившись функций, которые не нужны для паразитирующего образа жизни. Доказательством этой гипотезы является существование риккетсий и хламидий. Так что вирусы — «прокаченные» бактерии, которые тем не менее не могут жить самостоятельно.
Размер вирусной частицы примерно в 100 раз меньше размера бактерии, а форма варьируется от просто спиральной до более сложных структур. Одна их форм похожа на корону. Именно она и является тем самым коронавирусом.
Очевидно, вирусы могут нанести гораздо больший вред, чем бактерии. По той простой причине, что не бывает «хороших» вирусов, как в случае с бактериями (вроде бифидо- и лактобактерий, которые позволяют нам переваривать пищу). Кроме того, многие вирусы отличаются просто безобразным поведением — они могут годами существовать внутри клетки, вызывая хронические заболевания. Примером таких вирусов может быть герпес.
Из всей тройки — микробы, бактерии и вирусы, получается, что самыми опасными являются микробы, поскольку они включают в себя все микроорганизмы: как полезные, так и максимально вредные для организма. Сейчас ученые работают над тем, чтобы извлечь как можно больше пользы из «хороших» бактерий: активно исследуются возможности внедрения определенных микробов и бактерий в организм человека, которые могут дать определенные преимущества. Например, уничтожать опухоли. Кстати, именно из-за бактерий был случайно открыт пенициллин — антибиотик, который спас множество жизней.
На самом деле мы только начинаем понимать, как извлекать пользу из нашего сожительства с этими маленькими друзьями. Но после прочитанного вы еще уверены, что истинный хозяин Земли — человек?
Частые вопросы
Как вирусы воздействуют на бактерии?
Вирусы, называемые бактериофагами, специализируются на заражении и размножении внутри бактерий. Они проникают в бактерию, используя ее клеточные механизмы для собственного размножения, что в конечном итоге приводит к разрушению бактерии.
Какие последствия может иметь воздействие вирусов на бактерии?
Воздействие вирусов на бактерии может привести к гибели бактерий, что может оказать влияние на экосистему, включая биологические процессы, такие как разложение органических веществ и циклы питательных веществ.
Могут ли бактерии развивать иммунитет к воздействию вирусов?
Да, бактерии могут развивать механизмы защиты от воздействия вирусов, такие как системы ограничения и модификации, которые позволяют им избежать заражения определенными типами вирусов.
Полезные советы
СОВЕТ №1
Избегайте использования антибиотиков без назначения врача, так как это может способствовать развитию устойчивости бактерий к лекарствам и увеличению числа вирусов-паразитов.
СОВЕТ №2
При работе с бактериями в лабораторных условиях следует соблюдать все меры предосторожности, чтобы предотвратить возможное заражение вирусами и сохранить чистоту культур.
Загрузка...
