Fager kan registrere bakteriell DNA-skade, noe som får dem til å replikere og hoppe fra skipet. Design Cells/iStock via Getty Images Plus
Etter mer enn to år med COVID-19-pandemien, kan du forestille deg et virus som en ekkel piggball – en tankeløs morder som går inn i en celle og kaprer maskineriet sitt for å lage en million kopier av seg selv før den bryter ut. For mange virus, inkludert koronavirus som forårsaker COVID-19, er epitetet "mindless killer" i hovedsak sant.
Men det er mer ved virusbiologi enn man ser.
Ta HIV, viruset som forårsaker AIDS. HIV er en retrovirus som ikke går direkte på en drapstur når den går inn i en celle. I stedet integrerer den seg i kromosomene dine og frysninger, og venter på det rette øyeblikket for å beordre cellen til å lage kopier av den og bryte ut for å infisere andre immunceller og til slutt forårsake AIDS.
Nøyaktig hvilket øyeblikk HIV venter på er fortsatt en område for aktivt studie. Men forskning på andre virus har lenge antydet at disse patogenene kan være ganske "gjennomtenkte" når det gjelder å drepe. Selvfølgelig kan ikke virus tenke slik du og jeg gjør. Men som det viser seg, har evolusjonen gitt dem noen ganske forseggjorte beslutningsmekanismer. Noen virus, for eksempel, vil velge å forlate cellen de har oppholdt seg i hvis de oppdager DNA-skade. Ikke engang virus, ser det ut til, liker å oppholde seg i et synkende skip.
My laboratorium har studert molekylærbiologien til bakteriofager, eller fager for kort, virusene som infiserer bakterier, i over to tiår. Nylig har kollegene mine og jeg har vist at fager kan lytte etter sentrale cellulære signaler for å hjelpe dem i beslutningsprosessen. Enda verre, de kan bruke cellens egne "ører" til å lytte for dem.
Unngå DNA-skade
Hvis fienden til din fiende er din venn, er fager absolutt dine venner. Fager kontrollere bakteriepopulasjoner i naturen, og klinikere bruker dem i økende grad til behandle bakterielle infeksjoner som ikke reagerer på antibiotika.
Den best studerte fagen, lambda, fungerer litt som HIV. Når lambda går inn i bakteriecellen, bestemmer lambda om den skal replikere og drepe cellen direkte, som de fleste virus gjør, eller å integrere seg i cellens kromosom, slik HIV gjør. Hvis sistnevnte, replikerer lambda ufarlig med verten hver gang bakteriene deler seg.
Denne videoen viser en lambda-fag som infiserer E. coli.
Men, som HIV, er ikke lambda bare å sitte stille. Den bruker et spesielt protein kalt CI som et stetoskop for å lytte etter tegn på DNA-skade i bakteriecellen. Hvis bakteriens DNA blir kompromittert, er det dårlige nyheter for lambdafagen som er nestet i den. Skadet DNA fører rett til evolusjonens søppelfylling fordi det er ubrukelig for fagen som trenger den for å reprodusere seg. Så lambda slår på replikasjonsgenene sine, lager kopier av seg selv og bryter ut av cellen for å lete etter flere uskadede celler å infisere.
Tapping av cellens kommunikasjonssystem
Noen fager, i stedet for å samle informasjon med sine egne proteiner, trykker på den infiserte cellens egen DNA-skadesensor: LexA.
Proteiner som CI og LexA er det transkripsjonsfaktorer som slår gener på og av ved å binde seg til spesifikke genetiske mønstre i DNA-instruksjonsboken som er kromosomet. Noen fager som Coliphage 186 har funnet ut at de ikke trenger sitt eget virale CI-protein hvis de har en kort DNA-sekvens i kromosomene som bakteriell LexA kan binde seg til. Ved å oppdage DNA-skade, vil LexA aktivere fagens replikerings-og-drep-gener, i hovedsak dobbeltkrysse cellen til å begå selvmord samtidig som den lar fagen rømme.
Forskere rapporterte først CIs rolle i fagbeslutninger i 1980s og Coliphage 186s kontraintelligens-triks på slutten av 1990 -tallet. Siden den gang har det vært noen få andre rapporter om fager som avlytter bakterielle kommunikasjonssystemer. Et eksempel er fag phi29, som utnytter vertens transkripsjonsfaktor for å oppdage når bakterien gjør seg klar til å generere en spore, eller et slags bakterieegg i stand til å overleve ekstreme miljøer. Phi29 instruerer cellen om å pakke sitt DNA inn i sporen, og dreper de spirende bakteriene når sporen spirer.
Transkripsjonsfaktorer slår gener på og av.
I vår nylig publisert forskning, mine kolleger og jeg viser at flere grupper av fager uavhengig har utviklet evnen til å benytte seg av enda et bakteriell kommunikasjonssystem: CtrA-proteinet. CtrA integrerer flere interne og eksterne signaler for å sette i gang ulike utviklingsprosesser hos bakterier. Nøkkelen blant disse er produksjonen av bakterielle vedheng kalt flagella og pili. Det viser seg at disse fagene fester seg til pili og flagella av bakterier for å infisere dem.
Vår ledende hypotese er at fager bruker CtrA for å anslå når det vil være nok bakterier i nærheten av pili og flagella til at de lett kan infisere. Et ganske smart triks for en "sinnløs morder."
Dette er ikke de eneste fagene som tar forseggjorte beslutninger – alt uten fordelen av å ha en hjerne. Noen fager som infiserer Bacillus bakterier produserer et lite molekyl hver gang de infiserer en celle. Fagene kan sanse dette molekylet og bruke det til telle antall faginfeksjoner foregår rundt dem. Som fremmede inntrengere, hjelper denne tellingen med å bestemme når de skal slå på replikerings-og-drep-genene sine, og dreper bare når det er relativt mange verter. På denne måten sørger fagene for at de aldri går tom for verter for å infisere og garantere sin egen langsiktige overlevelse.
Motvirker viral kontraintelligens
Du lurer kanskje på hvorfor du bør bry deg om kontraintelligensoperasjonene som drives av bakterielle virus. Mens bakterier er veldig forskjellige fra mennesker, er virusene som infiserer dem ikke så annerledes fra virus som infiserer mennesker. Mer eller mindre hvert eneste triks spilt av fager har senere vist seg å bli brukt av humane virus. Hvis en fag kan tappe bakterielle kommunikasjonslinjer, hvorfor ville ikke et menneskelig virus tappe din?
Foreløpig vet ikke forskere hva menneskelige virus kan lytte etter hvis de kaprer disse linjene, men mange alternativer kommer til tankene. Jeg tror at, i likhet med fager, kan menneskelige virus potensielt være i stand til å telle antallet for å strategisere, oppdage cellevekst og vevsdannelse og til og med overvåke immunresponser. Foreløpig er disse mulighetene kun spekulasjoner, men vitenskapelig undersøkelse er i gang.
Å ha virus som lytter til cellenes private samtaler er ikke det mest rosenrøde av bilder, men det er ikke uten en sølvkant. Som etterretningsbyråer over hele verden vet godt, fungerer kontraetterretning bare når den er skjult. Når det er oppdaget, kan systemet veldig enkelt utnyttes til å gi feilinformasjon til fienden din. På samme måte tror jeg at fremtidige antivirale terapier kan være i stand til å kombinere konvensjonelt artilleri, som antivirale midler som forhindrer virusreplikasjon, med informasjonskrigføringslureri, for eksempel å få viruset til å tro at cellen det er i tilhører et annet vev.
Men hysj, ikke si det til noen. Virus kan lytte!
Om forfatteren
Ivan Erill, førsteamanuensis i biologiske vitenskaper, University of Maryland, Baltimore County
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
Relaterte bøker:
Kroppen holder poengsummen: Hjernens sinn og kropp i helbredelsen av traumer
av Bessel van der Kolk
Denne boken utforsker sammenhengene mellom traumer og fysisk og mental helse, og tilbyr innsikt og strategier for helbredelse og bedring.
Klikk for mer info eller for å bestille
Pust: The New Science of a Lost Art
av James Nestor
Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med å puste, og tilbyr innsikt og teknikker for å forbedre fysisk og mental helse.
Klikk for mer info eller for å bestille
Planteparadokset: De skjulte farene i "sunn" mat som forårsaker sykdommer og vektøkning
av Steven R. Gundry
Denne boken utforsker koblingene mellom kosthold, helse og sykdom, og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.
Klikk for mer info eller for å bestille
Immunitetskoden: Det nye paradigmet for ekte helse og radikal antialdring
av Joel Greene
Denne boken tilbyr et nytt perspektiv på helse og immunitet, og trekker på prinsipper for epigenetikk og tilbyr innsikt og strategier for å optimalisere helse og aldring.
Klikk for mer info eller for å bestille
Den komplette guiden til faste: Helbred kroppen din gjennom periodisk, vekslende dag og forlenget faste
av Dr. Jason Fung og Jimmy Moore
Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med faste og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.
