Koinfekujące wirusy utrudniają sobie nawzajem inwazję komórek

Proces, w wyniku którego fagi – wirusy infekujące i replikujące się w bakteriach – przedostają się do komórek, bada się od ponad 50 lat. W nowym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign i Uniwersytetu Texas A&M wykorzystali najnowocześniejsze techniki, aby przyjrzeć się temu procesowi na poziomie pojedynczej komórki.

„W ciągu ostatniej dekady dziedzina biologii fagów przeżyła eksplozję, ponieważ coraz więcej badaczy zdaje sobie sprawę ze znaczenia fagów w ekologii, ewolucji i biotechnologii” – powiedział Ido Golding (CAIM/IGOH), profesor fizyki. „Ta praca jest wyjątkowa, ponieważ przyjrzeliśmy się infekcji fagowej na poziomie pojedynczych komórek bakteryjnych”.

Proces infekcji fagowej polega na przyłączeniu się wirusa do powierzchni bakterii. Następnie wirus wstrzykuje do komórki swój materiał genetyczny. Po wejściu fag może albo zmusić komórkę do wytworzenia większej liczby fagów i ostatecznie eksplodować (proces zwany lizą komórki), albo fag może zintegrować swój genom z genomem bakteryjnym i pozostać uśpiony (proces zwany lizogenią). Wynik zależy od liczby fagów jednocześnie infekujących komórkę. Pojedynczy fag powoduje lizę, podczas gdy infekcja wieloma fagami powoduje lizogenię.

W obecnym badaniu naukowcy chcieli zapytać, czy liczba infekujących fagów, które wiążą się z powierzchnią bakterii, odpowiada ilości wirusowego materiału genetycznego wstrzykiwanego do komórki. W tym celu oznaczyli fluorescencyjnie zarówno otoczkę białkową fagów, jak i znajdujący się w nich materiał genetyczny. Następnie hodowali Escherichia coli, stosowali różne stężenia infekujących fagów i sprawdzali, ile z nich było w stanie wstrzyknąć swój materiał genetyczny do E. coli.

„Od lat 70. wiemy, że kiedy wiele fagów infekuje tę samą komórkę, ma to wpływ na wynik infekcji. W tym artykule mogliśmy dokonać precyzyjnych pomiarów, w przeciwieństwie do jakichkolwiek dotychczas przeprowadzonych badań” – powiedział Golding.

Naukowcy byli zaskoczeni, gdy odkryli, że inne współzakażające fagi mogą utrudniać wejście materiału genetycznego faga. Odkryli, że gdy do powierzchni komórki przyczepiło się więcej fagów, stosunkowo mniej z nich mogło przedostać się do środka.

„Nasze dane pokazują, że pierwszy etap infekcji, wejście faga, to ważny krok, który wcześniej był niedoceniany” – powiedział Golding. „Odkryliśmy, że współinfekujące fagi utrudniają sobie nawzajem wejście, zakłócając elektrofizjologię komórki”.

Najbardziej zewnętrzna warstwa bakterii nieustannie zajmuje się ruchem elektronów i jonów, które są kluczowe dla wytwarzania energii i przesyłania sygnałów do i z komórki. W ciągu ostatniej dekady badacze zaczęli zdawać sobie sprawę ze znaczenia tej elektrofizjologii w innych zjawiskach bakteryjnych, w tym w oporności na antybiotyki. Artykuł ten otwiera nową drogę badań nad elektrofizjologią bakterii – jej rolą w biologii fagów.

„Wpływając na liczbę faktycznie przedostających się fagów, zaburzenia te wpływają na wybór między lizą a lizogenią. Nasze badanie pokazuje również, że na wejście mogą mieć wpływ warunki środowiskowe, takie jak stężenie różnych jonów” – stwierdził Golding.

Zespół jest zainteresowany udoskonaleniem swoich technik, aby lepiej zrozumieć molekularne podstawy przedostawania się fagów.

„Mimo że rozdzielczość naszych technik była dobra, to, co działo się na poziomie molekularnym, było dla nas nadal w dużej mierze niewidoczne” – powiedział Golding. „Rozważamy zastosowanie systemu Minflux w Instytucie Biologii Genomicznej Carla R. Woese. Planujemy zbadać ten sam proces, ale zastosować lepszą metodę eksperymentalną. Mamy nadzieję, że pomoże nam to w znalezieniu nowej biologii”.

Badanie „Koinfekujące fagi utrudniają sobie nawzajem wejście do komórki” był opublikowany W Aktualna biologia.