Wrotki Bdelloid, rodzaj małych zwierząt słodkowodnych, wykorzystują skradzione geny bakterii do tworzenia antybiotyków, oferując wgląd w opracowywanie bezpieczniejszych leków przeciwdrobnoustrojowych i zajmowanie się rosnącą opornością na antybiotyki.
Zespół badaczy z Uniwersytet OksfordzkiUniwersytet w Stirling i Morskie Laboratorium Biologiczne (MBL) w Woods Hole odkryły, że grupa maleńkich, słodkowodnych zwierząt chroni się przed infekcjami, stosując receptury antybiotyków „skradzione” bakteriom.
Te mikroskopijne stworzenia nazywane są wrotkami bdelloidowymi, co oznacza „pełzające zwierzęta-koła”. Chociaż są mniejsze niż szerokość włosa, mają głowę, usta, jelita, mięśnie i nerwy jak inne zwierzęta.
Genetyczne mechanizmy obronne
Badanie, opublikowane niedawno w Komunikacja przyrodniczapokazuje, że kiedy wrotki te są narażone na infekcję grzybiczą, aktywują setki genów nabytych od bakterii i innych drobnoustrojów. Niektóre z tych genów wytwarzają u wrotków broń oporną, taką jak antybiotyki i inne środki przeciwdrobnoustrojowe.
„Kiedy przetłumaczyliśmy DNA kod, aby zobaczyć, co robią skradzione geny, czekała nas niespodzianka” – powiedział główny autor badania, Chris Wilson z Uniwersytetu Oksfordzkiego. „Główne geny zawierały instrukcje dotyczące substancji chemicznych, których, jak sądziliśmy, zwierzęta nie są w stanie wytworzyć – wyglądały jak przepisy na antybiotyki”.
Wcześniejsze badania wykazały, że wrotki pobierają DNA ze swojego otoczenia od milionów lat, ale nowe badanie jako pierwsze odkryło, że wrotki wykorzystują te geny do zwalczania chorób. Żadne inne zwierzęta nie „kradną” genów drobnoustrojów na tak dużą skalę.
„Te złożone geny – z których część nie występuje u żadnego innego zwierzęcia – zostały nabyte od bakterii, ale przeszły ewolucję u wrotków” – powiedział współautor badania David Mark Welch, starszy naukowiec i dyrektor Josephine Bay Paul Center w Centrum Morskie Laboratorium Biologiczne. „Zwiększa to potencjał wytwarzania przez wrotki nowych środków przeciwdrobnoustrojowych, które mogą być mniej toksyczne dla zwierząt, w tym ludzi, niż te, które opracowujemy z bakterii i grzybów”.
Odsłonięcie unikalnej produkcji antybiotyków
Antybiotyki są niezbędne we współczesnej opiece zdrowotnej, ale większość z nich nie została wynaleziona przez naukowców. Zamiast tego są produkowane naturalnie przez grzyby i bakterie żyjące na wolności, a ludzie mogą wytwarzać sztuczne wersje, które można wykorzystać jako lekarstwo.
Nowe badanie sugeruje, że wrotki mogą robić coś podobnego.
„Te dziwne małe zwierzęta skopiowały DNA, które mówi drobnoustrojom, jak wytwarzać antybiotyki” – wyjaśnia Wilson. „Obserwowaliśmy, jak używali jednego z tych genów przeciwko chorobie wywoływanej przez grzyby, a zwierzęta, które przeżyły infekcję, wytwarzały 10 razy więcej związku chemicznego niż te, które padły, co wskazuje, że pomaga to w stłumieniu choroby”.
Ten wrotek bdeloidalny używa kółek do odkurzania i zjadania bakterii i innych cząstek unoszących się w wodzie. Zwierzę to ma około pół milimetra długości i koła znajdują się po stronie głowy. Źródło: CG Wilson 2024
Implikacje dla nowych antybiotyków
Naukowcy uważają, że wrotki mogą dostarczyć ważnych wskazówek w poszukiwaniu leków do leczenia ludzkich infekcji wywołanych bakteriami lub grzybami.
Antybiotyki stają się coraz mniej skuteczne, ponieważ drobnoustroje chorobotwórcze w drodze ewolucji stały się oporne i nie reagują już na leczenie. Światowa Organizacja Zdrowia niedawno podniosła alarm, ostrzeżenie w czerwcowym raporcie „pilnej potrzeby” opracowania nowych antybiotyków w celu przeciwdziałania zagrożeniu opornością.
„Przepisy, których używają wrotki, różnią się od znanych genów drobnoustrojów” – powiedział autor badania Reuben Nowell z Uniwersytetu w Stirling. „Są równie długie i skomplikowane, ale części kodu DNA uległy zmianie. Uważamy, że przepis został zmieniony w procesie ewolucji mającym na celu wytworzenie nowych i odmiennych substancji chemicznych w wrotkach. To ekscytujące, ponieważ może zasugerować pomysły na przyszłe leki”.
Geny, które wrotki nabyły od bakterii, kodują niezwykłą klasę enzymów, które się łączą aminokwasy na małe cząsteczki zwane peptydami nierybosomalnymi.
„Następny etap tych badań powinien obejmować identyfikację wielu peptydów syntetyzowanych nierybosomalnie, wytwarzanych przez wrotki bdelloidalne i ustalenie warunków, w których można indukować syntezę tych związków” – powiedziała współautorka badania Irina Arkhipova, starszy naukowiec w Morskie Laboratorium Biologiczne.
Jednym z problemów związanych z opracowywaniem nowych leków jest to, że wiele antybiotyków wytwarzanych przez bakterie i grzyby jest trujących lub wywołuje u zwierząt skutki uboczne. Tylko nieliczne można zamienić w zabiegi usuwające szkodliwe drobnoustroje z organizmu człowieka. Jeśli wrotki już wytwarzają podobne substancje chemiczne we własnych komórkach, mogą utorować drogę do leków, które będą bezpieczniejsze w stosowaniu u innych zwierząt, w tym ludzi.
Zrozumienie nabycia genów wrotków
Zasadniczym pytaniem jest, dlaczego wrotki są jedynymi zwierzętami, które w tak dużym stopniu pożyczają te przydatne geny od drobnoustrojów.
„Uważamy, że może to być powiązane z innym dziwnym faktem dotyczącym tych wrotków” – powiedział Tim Barraclough, współautor badania z Uniwersytetu Oksfordzkiego. „W przeciwieństwie do innych zwierząt, nigdy nie widzimy samców wrotków. Matki wrotków składają jaja, z których wykluwają się ich genetyczne kopie, bez potrzeby seksu i zapłodnienia”.
Według jednej z teorii zwierzęta kopiujące się w ten sposób mogą stać się tak podobne, że zaczyna to być niezdrowe. „Jeśli ktoś zachoruje, zachoruje reszta” – wyjaśnił Barraclough. Ponieważ wrotki bdelloidalne nie mają płci, co pozwala genom rodzicielskim na korzystną rekombinację, genom matki wrotków jest bezpośrednio przenoszony na jej potomstwo bez wprowadzania jakichkolwiek nowych zmian.
„Jeśli wrotki nie znajdą sposobu na zmianę swoich genów, mogą wyginąć. To może pomóc wyjaśnić, dlaczego te wrotki zapożyczyły tak wiele genów z innych miejsc, zwłaszcza tych, które pomagają im radzić sobie z infekcjami” – powiedział Barraclough.
Nowell uważa, że można się jeszcze wiele nauczyć od wrotków i ich skradzionego DNA „Wrotki wykorzystywały setki genów, których nie widać u innych zwierząt. Przepisy na antybiotyki są ekscytujące, a niektóre inne geny wyglądają nawet, jakby zostały pobrane z roślin. Odkrycia wpisują się w rosnącą historię dotyczącą tego, w jaki sposób i dlaczego geny przenoszą się między różnymi rodzajami życia” – powiedział.
Odniesienie: „Wrotki Bdelloid wdrażają nabyte poziomo geny biosyntetyczne przeciwko patogenowi grzybowemu” autorstwa Reubena W. Nowella, Fernando Rodrigueza, Bette J. Hecox-Lea, Davida B. Marka Welcha, Iriny R. Arkhipowej, Timothy’ego G. Barraclougha i Christophera G. Wilsona, 18 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49919-1
