Obce DNA „przemyka się” przez mechanizmy obronne bakterii, wspomagając oporność na antybiotyki

Nowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Tel Awiwie pokazuje, w jaki sposób można zneutralizować bakteryjne mechanizmy obronne, umożliwiając skuteczny transfer materiału genetycznego między bakteriami. Naukowcy są przekonani, że to odkrycie może utorować drogę do opracowania narzędzi pozwalających zaradzić kryzysowi oporności na antybiotyki i promować skuteczniejsze metody manipulacji genetycznej do celów medycznych, przemysłowych i środowiskowych.

Badania prowadził dr hab. studentka Bruria Samuel z laboratorium prof. Davida Bursteina w Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu w Tel Awiwie. Do badań włączyli się także dr Karin Mittelman, Shirly Croitoru i Maya Ben-Haim z laboratorium prof. Bursteina. Ustalenia były opublikowany w dzienniku Natura.

Naukowcy wyjaśniają, że różnorodność genetyczna jest niezbędna do przetrwania i adaptacji różnych gatunków w odpowiedzi na zmiany środowiskowe. W przypadku ludzi i wielu innych organizmów rozmnażanie płciowe jest głównym czynnikiem wpływającym na różnorodność genetyczną niezbędną do przetrwania. Jednak bakteriom i innym mikroorganizmom brakuje takiego mechanizmu reprodukcji.

Niemniej jednak, jak wykazało alarmujące tempo rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki wśród populacji bakterii, bakterie dysponują alternatywnymi mechanizmami utrzymywania różnorodności genetycznej niezbędnej do przeżycia, w tym bezpośrednim transferem DNA między bakteriami.

Transfer DNA pomiędzy bakteriami odgrywa kluczową rolę w ich przetrwaniu. Jednak kluczowy aspekt tego procesu pozostaje niedostatecznie zbadany: w jaki sposób wymiana materiału genetycznego jest tak powszechna, mimo że bakterie posiadają szeroki zakres mechanizmów obronnych zaprojektowanych w celu zniszczenia obcego materiału genetycznego przedostającego się do ich komórek?

Nowe badania skupiają się na procesie zwanym „koniugacją”, będącym jednym z głównych mechanizmów przenoszenia DNA z jednej bakterii do drugiej. Podczas koniugacji jedna komórka bakteryjna łączy się bezpośrednio z drugą poprzez małą rurkę, która umożliwia transfer fragmentów materiału genetycznego zwanych plazmidami.

Prof. Burstein wyjaśnia: „Plazmidy to małe, okrągłe, dwuniciowe cząsteczki DNA sklasyfikowane jako „ruchome elementy genetyczne”. Podobnie jak wirusy, plazmidy przemieszczają się z jednej komórki do drugiej, ale w przeciwieństwie do wirusów nie muszą zabijać bakterii gospodarza, aby zakończyć transfer.

W ramach naturalnej wymiany plazmidy często zapewniają bakteriom biorcom korzyści genetyczne. Na przykład wiele genów oporności na antybiotyki rozprzestrzenia się poprzez transfer plazmidów między bakteriami. Jednakże bakterie posiadają także liczne mechanizmy obronne mające na celu eliminację obcego DNA przedostającego się do ich komórek.

„Koniugacja to dobrze znany proces, który naukowcy wykorzystują również w laboratorium do przenoszenia genów między bakteriami. Wiadomo również, że bakterie posiadają mechanizmy niszczenia obcego DNA, w tym DNA plazmidowego, a niektóre z tych mechanizmów są nawet wykorzystywane do różnych celów badawczych. Jednak jak dotąd nikt w pełni nie zbadał, w jaki sposób plazmidy pokonują te mechanizmy obronne” – mówi prof. Burstein.

Samuel wyjaśnia, że ​​rozpoczęła badania od przeprowadzenia analizy obliczeniowej 33 000 plazmidów i zidentyfikowania genów powiązanych z systemami „antyobronnymi”, które pomagają plazmidom ominąć bakteryjne mechanizmy obronne.

Jeszcze bardziej interesująca była lokalizacja tych genów. Jak wspomniano, plazmidy są dwuniciowymi kolistymi segmentami DNA. Aby przejść przez cienką rurkę łączącą bakterie, jedna z tych okrągłych nici jest przecinana w pewnym miejscu przez białko, które następnie wiąże się z przeciętą nicią i inicjuje jej transfer do komórki biorcy.

„Stwierdzono, że geny systemów antyobronnych, które zidentyfikowałem, są skoncentrowane w pobliżu punktu cięcia i zorganizowane w taki sposób, że jako pierwsze dostaną się do nowej komórki. To strategiczne umiejscowienie umożliwia aktywację genów natychmiast po transferze, dając plazmidowi przewagę niezbędną do zneutralizowania systemów obronnych bakterii biorcy.”

Prof. Burstein wspomina, jak Samuel, który po raz pierwszy pokazał mu jej wyniki, nie mógł uwierzyć, że takiego zjawiska nie zidentyfikowano wcześniej.

„Bruria przeprowadziła obszerny przegląd literatury i odkryła, że ​​nikt wcześniej nie zauważył takiego powiązania” – mówi. Ponieważ odkrycia dokonano poprzez analizę istniejących baz danych za pomocą narzędzi obliczeniowych, kolejnym krokiem było wykazanie w laboratorium, że zjawisko to rzeczywiście zachodzi podczas transferu plazmidu pomiędzy bakteriami.

Samuel wyjaśnia: „W tym celu użyliśmy plazmidów powodujących oporność na antybiotyki i wprowadziliśmy je do bakterii wyposażonych w CRISPR, dobrze znany bakteryjny system obrony, który może namierzać i niszczyć DNA, w tym plazmidy. Metoda ta pozwoliła nam z łatwością przetestować warunki, w jakich plazmid może pokonać system obronny – jeśli uda mu się pokonać system CRISPR, bakteria biorcy stanie się oporna na antybiotyki. Jeśli to się nie uda, bakteria umrze”.

Stosując tę ​​metodę Samuel wykazał, że jeśli geny antyobronne zostaną umieszczone w pobliżu punktu wejścia DNA, plazmid skutecznie pokonuje system CRISPR. Jeśli jednak te geny znajdują się w innym miejscu plazmidu, system CRISPR niszczy plazmid, a bakteria umiera pod wpływem antybiotyków.

Prof. Burstein zauważa, że ​​zrozumienie rozmieszczenia systemów antyobronnych na plazmidach mogłoby umożliwić identyfikację nowych genów antyobronnych, co jest obecnie przedmiotem bardzo aktywnych badań.

„Co więcej, nasze badania mogą przyczynić się do zaprojektowania bardziej wydajnych plazmidów do manipulacji genetycznej bakterii w procesach przemysłowych. Chociaż plazmidy są już powszechnie stosowane do tych celów, skuteczność transferu genetycznego na bazie plazmidów w warunkach laboratoryjnych jest znacznie niższa niż w przypadku plazmidów naturalnych „, mówi.

„Inne potencjalne zastosowanie mogłoby obejmować zaprojektowanie skutecznych plazmidów do manipulacji genetycznej naturalnych populacji bakterii. Może to pomóc w blokowaniu genów oporności na antybiotyki w szpitalnych populacjach bakterii, nauczyć bakterie w glebie i wodzie rozkładania substancji zanieczyszczających lub wiązania dwutlenku węgla, a nawet manipulować bakteriami jelitowymi, aby poprawić zdrowie człowieka”.

Ramot, firma zajmująca się transferem technologii Uniwersytetu w Tel Awiwie, uważa to odkrycie za znaczący przełom biotechnologiczny o szerokich zastosowaniach.

Dr Ronen Kreizman, dyrektor generalny Ramot, stwierdza: „Najpierw chcę pogratulować profesorowi Davidowi Bursteinowi i jego zespołowi laboratoryjnemu tego fascynującego odkrycia naukowego. Nowe badania otwierają rewolucyjne możliwości w takich obszarach, jak opracowywanie leków przeciwko opornym bakteriom, biologia syntetyczna , agritech i foodtech Zdolność do kontrolowania i dostrajania transferu materiału genetycznego między bakteriami może stać się potężnym narzędziem pozwalającym stawić czoła wyzwaniom środowiskowym, rolniczym i medycznym. Obecnie pracujemy nad komercjalizacją tej technologii, aby w pełni wykorzystać jej potencjał.