Zaawansowane badania ujawniają, że fagi infekując bakterie na poziomie komórkowym, mogą utrudniać sobie nawzajem wejście, co podkreśla złożoną dynamikę infekcji bakteryjnej i potencjalny wpływ na badania biotechnologiczne.
Niedawne badania nad fagami – wirusami zakażającymi bakterie – ujawniają, że liczba i interakcje fagów podczas infekcji wpływają na ich wejście do komórek gospodarza, pod wpływem elektrofizjologii komórki. Odkrycie to otwiera nowe możliwości zrozumienia zachowania fagów i jego konsekwencji dla biotechnologii.
Naukowcy badali proces, w wyniku którego fagi – wirusy infekujące i replikujące się w bakteriach – przedostają się do komórek przez ponad 50 lat. W nowym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign i Uniwersytetu Texas A&M zastosowali najnowocześniejsze techniki, aby zbadać ten proces 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”.
Zrozumienie infekcji fagowej
Proces infekcji fagowej polega na przyłączeniu się faga wirus na powierzchnię 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.
Pierwszy autor Thu Vu Phuc Nguyen (po lewej) i Ido Golding badali, w jaki sposób współzakażające fagi mogą utrudniać sobie nawzajem wejście do komórki. Źródło: Fred Zwicky
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 urosły Escherichia colistosowali różne stężenia infekujących fagów i śledzili, ile z nich było w stanie wstrzyknąć swój materiał genetyczny do E. coli.
„Od lat 70. wiemy, że infekcja tej samej komórki przez wiele fagów ma wpływ na wynik infekcji. W tym artykule mogliśmy dokonać precyzyjnych pomiarów, jakich nie przeprowadzono w żadnym dotychczasowym badaniu” – powiedział Golding.
Wyzwania związane z wejściem faga
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 wprowadzanych fagów, zaburzenia te wpływają na wybór między lizą a lizogenią. Nasze badanie pokazuje również, że na wejście na rynek mogą mieć wpływ warunki środowiskowe, takie jak stężenie różnych jonów” – powiedział 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. Plan jest taki, aby zbadać ten sam proces, ale zastosować lepszą metodę eksperymentalną. Mamy nadzieję, że pomoże nam to znaleźć nową biologię”.
Odniesienie: „Koinfekujące fagi utrudniają sobie nawzajem wejście do komórki” autorstwa Thu Vu Phuc Nguyen, Yuchen Wu, Tianyou Yao, Jimmy T. Trinh, Lanying Zeng, Yann R. Chemla i Ido Golding, 14 czerwca 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.05.032
Prace wsparł m.in Narodowe Instytuty ZdrowiaNarodowa Fundacja Nauki i Fundacja Alfreda P. Sloana.
