Poput ljudi koji se bore da prođu kroz pandemiju COVID-19, bakterijskim ćelijama je potrebno socijalno distanciranje da bi sprečile viruse. Ali u nekim situacijama, kao što su u liftovima ili unutar bakterijskih struktura boje slatkiša poznatih kao „ružičaste bobice“, ostati odvojen nije izvodljiv.
Izgledajući kao prosuti Nerds ili Pop Rocks, zajedničke, višećelijske ružičaste bobice zasipaju potopljenu površinu slanih močvara ui oko Vuds Hola.
Novo istraživanje sprovedeno u Morskoj biološkoj laboratoriji (MBL) otkriva dokaze da genetski mehanizam može pomoći bakterijama koje grade bobice – i drugima poput njih – da zaštite od bolesti. Studija, objavljena u Proceedings of the National Academi of Sciences, takođe ima implikacije za razumevanje evolucije jednoćelijskih organizama, poput bakterija, u složene višećelijske, uključujući ljude.
„To nam govori o izazovima sa kojima smo se suočavali kada smo bili male ćelije“, kaže Lizi Vilbanks, stipendista MBL Vhitman i mikrobiolog sa Univerziteta Kalifornije u Santa Barbari. „Ako formirate višećelijske strukture, morate da razvijete prilično fensi imunološku odbranu da biste ostali živi.“
Misteriozni sistemi koji stvaraju mutacije
Vilbanks se prvi put susreo sa ružičastim bobicama kao diplomirani student upisan na MBL-ov kurs Microbial Diversiti. Ovi sferni agregati su među strukturama koje bakterije formiraju kada se genetski slične osobe drže blizu i koordiniraju svoju aktivnost. Ružičaste bobice su naseljene vrstom bakterija pod nazivom Thiohalocapsa PSB1, koja se hrani sumporom i svetlošću, plus relativno mali broj drugih simbiotskih bakterija.
Radeći zajedno, ove ćelije stvaraju džepove bez kiseonika, koji bi ih mogao otrovati i steći potrebnu težinu da se bezbedno nastanjuju u svom idealnom staništu.
Kao i svi organizmi, ovi kooperativni mikrobi rizikuju da zaraze viruse iz svog okruženja. Ružičaste bobice i druge višećelijske bakterije imaju povećanu potrebu za zaštitom, jer su – kao i mi – sastavljene od genetski sličnih ćelija koje su čvrsto upakovane jedna uz drugu, bez mogućeg socijalnog distanciranja.
„To je savršen koktel da epidemija prođe i sve uništi“, kaže Vilbanks.
Preko svog saradnika Blera Pola, pomoćnika naučnika u MBL-u, Vilbanks je saznala za neobičan genetski mehanizam za koji su otkrili da ga ima u izobilju u Tiohalokapsi. Poznat kao retroelementi koji stvaraju raznolikost (DGR), ovaj sistem sadrži delove DNK koji se transkribuju u RNK i nazad u DNK kroz proces sklon greškama, a zatim se ubacuju u ciljni gen za mutaciju.
Na ovaj način, DGR uvode mnogo novih genetskih varijacija, sirovog materijala za adaptaciju, u određene tačke unutar genoma. Naučnici su pronašli ove sisteme u virusima, bakterijama i drugim mikrobima zvanim arheje, ali ne razumeju u potpunosti kako ih mikrobi koriste.
Vilbanks i Hugo Dore, tada postdoktorski naučnik u njenoj laboratoriji i prvi autor studije, počeli su da raspravljaju o tome šta bi DGR mogli postići za Thiohalocapsu. Kroz svoje istraživanje, naučili su da ciljni geni DGR-a uključuju komponente povezane sa onima koje se nalaze u imunološkom sistemu višećelijskih organizama, uključujući ljude, biljke, pa čak i neke gljive.
Sličnost sa delovima imunološkog sistema drugih organizama navela je istraživače da sumnjaju da bi DGR-ovi mogli da diverzifikuju senzorne proteine koje Thiohalokapsa koristi za odbranu od patogena, analogno antitelima u našem sopstvenom imunološkom sistemu.
Svi živi organizmi moraju da otkriju pretnje sa kojima se nikada ranije nisu susreli. Ljudi i drugi kičmenjaci rešavaju ovaj problem mešanjem i mutiranjem gena za svoje senzorne proteine (antitela) kako bi se stvorila raznolika armija stražara. Iako su nedavna istraživanja pokazala da su mnoge komponente našeg urođenog imunog sistema evoluirale od bakterijskih predaka, naučnici nikada ranije nisu videli u bakterijama nešto poput naših hiper-raznovrsnih antitela.
Široko rasprostranjena imunološka veza
Tim je prvo široko pogledao DGR pronađene u bakterijama i arhejama, fokusirajući se na gen odgovoran za pretvaranje RNK nazad u DNK. Ovaj metod deli DGR od bakterija i arheja u dve grupe.
Unutar grupe kojoj pripada Thiohalocapsa, otkrili su da 82% DGR-a pripada mikrobima koji formiraju višećelijske, kooperativne strukture, slične ružičastim bobicama. Iako su pripadali udaljenim mikrobima, promene DGR-a imaju tendenciju da utiču na istu vrstu gena imunog sistema kao i kod Thiohalokapse.
Ispitujući stotine pojedinačnih ružičastih bobica, otkrili su da su DGR-ovi aktivno diverzifikovali 14 od 15 ukupnih ciljnih gena u Thiohalokapsi. Količina pronađenih varijacija za ove gene se promenila, međutim, u zavisnosti od mesta sa kojeg su ružičaste bobice sakupljene. Virusi u bazenima u istoj močvari mogu da variraju – možda izazivaju razlike koje je tim video.
„Sledeća granica pokazuje šta Thiohalokapsa zapravo radi sa svojim DGR-ovima u okruženju“, kaže Vilbanks.
Osim što nudi pogled na evoluciju života, ovo istraživanje ima i praktične implikacije.
Postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda koriste višećelijske bakterije da uklone hranljive materije koje mogu da naškode lokalnim ekosistemima, a savezni i industrijski istraživači istražuju mnoštvo drugih aplikacija za projektovane nakupine mikroba. Ove mikrobne strukture suočavaju se sa istim izazovom – virusnim epidemijama – kao i ružičaste bobice.
Prilikom projektovanja ovih mikrobnih sistema, kaže Vilbanks, ima smisla oponašati imunitet divljih zajedničkih bakterija zasnovan na DGR-u.
