Ne postoji organizam na Zemlji koji živi bez pretnji — uključujući bakterije. Predatorski virusi poznati kao fagi su među njihovim najstrašnijim neprijateljima, infiltriraju se u njihove ćelije da bi se replicirali i preuzeli. Bakterije su razvile niz strategija za borbu protiv ovih infekcija, ali kako su prvo uočile napadača u svojoj sredini dugo je bila misterija.
Sada su istraživači u Laboratoriji za bakteriologiju na Univerzitetu Rokfeler otkrili da bakterije osećaju fage putem odbrambenog odgovora zvanog CBASS koji detektuje virusnu RNK – otkrića koja će jednog dana pomoći u suzbijanju pretnje otpornosti na antibiotike. Objavili su rezultate u časopisu Priroda.
„Kako se CBASS aktivira infekcijom fagom bila je velika nepoznanica u našoj oblasti već dugi niz godina“, kaže Luciano Marraffini, šef laboratorije. „Do sada niko nije razumeo šta pokreće bakterije da iniciraju CBASS imuni odgovor.
Neke osnovne imunološke funkcije dele se u udaljenim domenima života, od eukariota (organizama sa jezgrom vezanim za membranu) kao što su sisari, biljke i gljive do prokariota (one bez takvih membrana) kao što su bakterije i arheje. Ovi imuni odgovori su morali evoluirati rano u postojanju života.
Jedna očuvana karakteristika je mehanizam za otkrivanje virusa koji se oslanja na specijalizovani enzim poznat kao ciklaza. Kod životinja se zove cGAS (ciklična GMP-AMP sintaza). Kod bakterija, ciklaze slične cGAS-u su centralne komponente imunog odgovora CBASS (sistema za signalizaciju antifaga zasnovanog na cikličnim oligonukleotidima). Oba su otkrivena tek u poslednjoj deceniji.
„Smatra se da su CBASS ciklaze drevni preci cGAS-a“, kaže koautor Dalton Banh, student doktorskih nauka u Marraffinijevoj laboratoriji.
Ali postoje neke razlike. Kod zaražene životinje, cGAS detektuje virusnu DNK u citoplazmi, želatinoznu tečnost u ćeliji koja okružuje jezgro; u neinficiranom organizmu, DNK je ograničena unutar jezgra. Njegovo prisustvo na drugim mestima signalizira da nešto nije u redu.
Međutim, pošto bakterije nemaju jezgra, moraju da zauzmu drugi pristup. Ako bi CBASS reagovao na samo prisustvo DNK, to bi rezultiralo bujnom autoimunitetom, ili bakterijom koja bi napala samu sebe, kaže Ban.
„To je bila zagonetka“, kaže on. „CBASS ciklaze mnogo liče na cGAS, pa mora da nešto osećaju. Ali šta, tačno?“
Da bi saznali, istraživači i njihovi saradnici u Laboratoriji za genetski kodirane male molekule Šona Brejdija fokusirali su se na CBASS sistem u Staphilococcus schleiferi, bakteriji koja se obično nalazi u ustima pasa, mačaka i drugih životinja koja je u retkim prilikama skočila na ljudi.
Marraffini je pionir proučavanja odbrambenih sistema bakterija, prvenstveno CRISPR-Cas; pošto je njegova laboratorija tokom godina koristila različite sojeve stafilokoka u ovom radu, tim ima dosta stafilokoknih faga pri ruci. Ban ih je sve pregledao zbog njihove sposobnosti da ih CBASS inhibira. Ušao je u set faga koje je uočio odbrambeni sistem. „Ovo nas je navelo da pretpostavimo da su ovi osetljivi fagi proizveli nešto tokom infekcije što je pokrenulo aktivaciju CBASS-a“, kaže Ban.
Sledeći, koautor Cameron Roberts, dr. student u laboratoriji, pomno je testirao različite molekule koje proizvodi bakterija ili virus, uključujući DNK, RNK i proteine.
Eksperiment je otkrio da je samo RNK proizvedena tokom infekcije fagom mogla da izazove imuni odgovor. „To je bila vrlo jasno virusna RNK koja je nastala tokom infekcije“, kaže Roberts. „Dakle, umesto da oseti pogrešnu lokalizaciju DNK, kao što to čini cGAS, CBASS oseća specifičnu RNK strukturu. Ova specifičnost je neverovatna.“
Oni su skovali novo identifikovani molekul cabRNA u obliku ukosnice (izgovara se „cab-R-N-A“ ili alternativno, „cabernet“), za RNK bakteriofaga koji aktivira CBASS. Molekul se vezuje za površinu ciklaze, pokrećući proizvodnju molekula glasnika nazvanog cGAMP koji aktivira CBASS imuni odgovor.
„Bio je to veoma jednostavan i elegantan eksperiment i dao nam je ključno otkriće“, kaže Marraffini.
I ovde postoje paralele sa načinom na koji analogni sistem funkcioniše kod ljudi. Nakon otkrivanja virusne DNK, cGAS takođe pokreće proizvodnju cGAMP, koji indukuje imuni sistem da proizvodi interferone tipa I. Taj antivirusni signalni put je poznat kao cGAS-STING.
U budućim istraživanjima, Roberts će nastaviti da analizira cabRNA za njene karakteristike. „Dva velika pitanja su kako i zašto fag generiše cabRNA – koja je njegova uloga?“ ona kaže. „Detalji o tome kako cabRNA interaguje sa CBASS enzimom takođe su nejasni. Tako da bi rešavanje strukture enzima kako je vezan za cabRNA bio ogroman podvig.“
Fagi koji ne pokreću CBASS odgovor mogu potencijalno biti korisni jednog dana u borbi protiv bakterija otpornih na antimikrobne lekove. „Trenutno nemamo znanja da predvidimo koji fagi imaju cabRNA, a koji ne“, kaže Marraffini, „ali ako bismo to mogli da uradimo, mogli bismo potencijalno da koristimo te fage za napad na bakterije, jer su shvatio sam kako da se provučem ovim senzorskim mehanizmom.“
