Istraživački tim sa Univerziteta Kil opisuje nepoznati odbrambeni mehanizam u bakterijama koji selektivno odbija strane i potencijalno štetne genetske informacije.
Od pandemije koronavirusa, posebno brza evoluciona prilagodljivost mikroorganizama kao što su bakterije ili virusi dovedena je u žižu javnosti. Na primer, kada virusi razviju sposobnost da inficiraju nove organizme domaćina ili bakterije razviju otpornost na antibiotike, preuzimanje novih genetskih informacija od drugih mikroorganizama omogućava im da brzo izraze evolutivno korisne osobine.
Bakterije, na primer, preuzimaju stranu DNK kroz proces koji se naziva horizontalni transfer gena, koji je mnogo brži od vertikalnog nasleđivanja iz generacije u generaciju.
Međutim, svaki živi organizam takođe se suočava sa rizicima preuzimanjem stranih genetskih informacija, jer bi potencijalno moglo biti opasno ako, na primer, važni geni budu oštećeni integracijom u sopstveni hromozom, što rezultira velikim nedostacima za organizam u celini. Zbog toga su bakterije razvile brojne mehanizme koji ih štite od apsorpcije štetne DNK. Mnogi od uključenih molekularnih procesa otkriveni su poslednjih godina, što je dovelo do nedavnog kovanog izraza „bakterijski imuni sistem“.
Sada je tim iz Grupe za mikrobnu biohemiju i ćelijsku biologiju na Institutu za opštu mikrobiologiju Univerziteta Kil razjasnio funkciju novog odbrambenog mehanizma koji može da identifikuje i, ako je potrebno, razbije određene nezavisne i mobilne strukture DNK koje se nazivaju plazmidi u bakterijama. ćelije — dok prave razliku između korisnih i štetnih genetskih informacija.
Koristeći kao primer bakteriju Corinebacterium glutamicum, istraživači su pokazali da takozvani Mks proteinski sistem ima dodatni element koji može da se veže za plazmidnu DNK i da je preseče. Naučnici iz Kila predvođeni profesorom Markom Bramkampom objavili su svoje nove rezultate u istraživanju nukleinskih kiselina.
Plazmidi su mali, obično prstenasti, dvolančani DNK molekuli koji se mogu replicirati nezavisno od hromozoma u svojoj ćeliji domaćinu. Oni igraju važnu ulogu u ekologiji i evoluciji bakterija, jer su važno sredstvo za lateralni transfer gena, omogućavajući brz prenos genetskih informacija i time izražavanje prednosti selekcije. U principu, sve bakterije mogu međusobno da razmenjuju plazmide čak i među vrstama.
Ovo se dešava direktno od bakterije do bakterije preko mehanizma prenosa poznatog kao konjugacija. I povoljni i štetni plazmidi koriste takve mostove između bakterijskih ćelija za prelazak sa jedne bakterije na drugu.
„Kako se bakterijski organizam nosi sa stranom DNK iz novoprenetih plazmida do sada je malo istraženo“, kaže Manuela Vajs, dr. student u Bramkampovoj istraživačkoj grupi ističe. „U prethodnim istraživanjima istraživali smo sisteme koji su generalno uključeni u organizaciju DNK u bakterijskim ćelijama i, između ostalog, obezbeđuju pakovanje genetskih informacija u komprimovani oblik hromozoma“, nastavlja Vajs.
U tom kontekstu, istraživački tim je dobio početne indikacije da C. glutamicum poseduje dva takva sistema, od kojih jedan nije uključen u organizaciju hromozoma, ali može sprečiti umnožavanje određenih plazmida, iako je mehanizam odgovoran za to ranije bio nepoznat. .
Sada su istraživači iz Kila, zajedno sa stručnjacima na čelu sa dr Anne Marie Vehenkel sa Instituta Pasteur u Parizu, otkrili DNK makaze Mks sistema u strukturnoj studiji. „Uspeli smo da eksperimentalno dokažemo da ova nova podjedinica Mks sistema formira specifičan protein, takozvanu nukleazu, koja može da preseče DNK. Ovaj element ima zadatak da razgradi plazmide kako bi štetnu DNK zadržala dalje od bakterijske ćelije. , dok su druge komponente Mks sistema važne za prepoznavanje plazmidne DNK“, kaže Vajs.
Istraživači su zatim pratili zapažanje da sistem Mks očigledno samo degradira određene plazmide i da stoga mora biti povezan sa mehanizmom selekcije. Važna prednost ovde je što Bramkampova istraživačka grupa radi sa bakterijom C. glutamicum, organizmom koji prirodno poseduje ovaj sistem. Njegove funkcije se stoga mogu proučavati in vivo bez promene bioloških svojstava ćelije prenošenjem u modelni sistem.
„Bakterije koriste određene plazmide kao izvor novih, ne odmah vitalnih, genetskih informacija. Stoga je očigledno da odbrambeni mehanizam mora biti selektivan i ne uništava sve plazmide“, kaže Bramkamp.
„Uspeli smo da dokažemo da kod C. glutamicum zaista postoji usmerena selekcija prema korisnim i štetnim genetskim informacijama. Kada smo veštački isključili Mks sistem i tako su svi plazmidi ostali u bakterijskim ćelijama, štetno dejstvo na ćeliju je moguće. izazvane stresom DNK, bili su očigledni. Međutim, oni se nisu dogodili kada je odbrambeni mehanizam bio aktivan“, nastavlja Bramkamp.
Sa trenutnim radom, istraživači iz Kiela predstavljaju važna nova otkrića o imunološkom sistemu bakterija u celini, koja proširuju razumevanje plazmida kao posrednika ne samo korisnih već i štetnih genetskih informacija. U budućnosti žele da istraže koji molekularni mehanizmi omogućavaju bakterijskim ćelijama da razlikuju „dobru“ i „lošu“ mobilnu DNK.
Novi rezultati nisu važni samo za opšte razumevanje organizacije i reprodukcije života bakterija. Sve preciznije istraživanje imunološkog sistema bakterija takođe može pomoći da se bolje odgovori na primenjene izazove – i, na primer, da se bolje modeluje i predvidi evolucija otpornosti na antibiotike u određenim bakterijskim populacijama u budućnosti.
