Znanstvenici prvi put najdetaljnije snimili virus koji ubija bakterije
Ovo otkriće otvara put terapijama budućnosti i novim mogućnostima u bioinženjeringu faga
Istraživači Sveučilišta u Pittsburghu proizveli su dosad najdetaljniju snimku bakteriofaga – bakterijskih virusa koji napadaju i ubijaju bakterije. Ovo istraživanje omogućilo im je da prvi put jasno vide strukturu dijela virusa koji se izravno veže za ciljanu stanicu bakterije iz roda Mycobacterium.
„Sada imamo svojevrsnu tehničku dokumentaciju za dizajniranje faga koji će se moći vezati za različite vrste stanica“, kaže Graham Hatfull, profesor biotehnologije na Sveučilištu u Pittsburghu. „To je iznimno važno jer nakon što se bakteriofag veže za bakterijsku stanicu, on probija membranu stanice i ubrizgava svoju DNK, pretvarajući bakteriju u 'tvornicu' novih faga.“
S obzirom na to da sve više bakterija postaje otporno na antibiotike koje danas koristimo, fagovi su u nekim slučajevima jedina opcija za suzbijanje bakterijskih infekcija. Međutim, fagovi su izuzetno specijalizirani: određena vrsta faga obično napada samo jednu vrstu ili soj bakterija. Stoga bi mogućnost inženjeringa faga s ciljem ciljanja i uništavanja specifičnih bakterija mogla revolucionirati medicinu.
Fagovi evoluiraju već milijardama godina, a unatoč njihovoj golemoj raznolikosti gotovo svi dijele slične komponente: kapsidu (glavu), repnu nit i vrh repa. Pritom su neki dijelovi faga lakši za snimanje od drugih. Kapsida faga izgleda poput glave postavljene na usku repnu nit, a istraživači su već neko vrijeme u mogućnosti snimati kapside faga u visokoj rezoluciji.
„Prvo, ona je ogromna i lako ju je pronaći“, kaže Krista Freeman, znanstvena suradnica u Hatfullovom laboratoriju. „Kapsida je također sastavljena od 60 simetričnih dijelova, što omogućuje prosječno povećanje signala prilikom snimanja. Snimanje faga kriogenom elektronskom mikroskopijom, jednom od dvije tehnike korištene u ovom radu, zahtijeva spajanje velikog broja snimaka iz različitih kutova. Zahvaljujući simetriji kapside, potrebno je relativno malo snimki za rekonstrukciju cijele strukture.“
„Ostatak tijela faga znatno je manji i manje simetričan pa moramo biti puno oprezniji“, dodaje Freeman. „Potrebno je pronaći više čestica, više tragati te više ručno manipulirati. Taj je proces mnogo manje automatiziran nego kod snimanja kapside.“
Fagovi su sastavljeni od isprepletenih, uvrnutih proteinskih snopova koji se provlače kroz njihovu strukturu. Manje su poput globusa s površinskim informacijama, a više nalikuju skulpturi cvijeta ispletenoj od spiralnih opruga. U praksi to znači da su za rekonstrukciju potpune snimke potrebne desetine tisuća snimaka faga iz različitih kutova.
Zahvaljujući golemoj količini podataka i snažnim računalnim resursima, Freeman je uspjela rekonstruirati repnu nit i, što je posebno važno, vrh repa – ključni dio za prepoznavanje i vezanje bakterije. Trenutačno znanstvenici još uvijek ne znaju zašto određeni fag napada određeni soj bakterija.
„Vrh repa je upravo taj dio koji prepoznaje bakterijsku stanicu“, objašnjava Hatfull. „Zato nas toliko zanima.“
Njihove snimke visoke razlučivosti omogućile su im da vide strukture koje su ranije bile vidljive samo kao mutne sive mrlje koje su označavale gustoću elektrona.
„Sada možete prikazati svaku molekularnu komponentu ovog sustava, a jednostavno je zapanjujuće koliko je složen vrh repa“, kaže Freeman. Nove slike također otkrivaju strukturne informacije koje znanstvenici mogu iskoristiti za bolje razumijevanje točke kontakta između faga i ciljne bakterije.
Snimke su postale još dinamičnije zahvaljujući radu Raphaela Parka i njegovih kolega s Istraživačkog instituta Scripps, koji su koristili drugu tehniku snimanja – kriogenu elektronsku tomografiju. Ova metoda omogućila je snimanje fagova koji su već vezani za bakterijsku stanicu, prikazujući cijeli fag i točno mjesto njegova vezanja na površinu bakterije.
Na nekim snimkama fagova jasno je vidljiv njihov DNK unutar kapside, dok se na drugima vidi kako DNK prolazi kroz staničnu stijenku bakterije. Između te dvije faze, „postoje suptilne promjene u strukturi faga“, kaže Hatfull. Te bi razlike mogle ukazivati na mehanizam kojim se DNK iz kapside oslobađa ili transportira kroz repnu nit.
„Ovo su nova saznanja, a mnoga pitanja ostaju otvorena“, kaže Graham Hatfull. No, Hatfull, Freeman i istraživači diljem svijeta sada mogu ozbiljno početi razmišljati o stvaranju fagova koji će prepoznavati različite bakterije. „Prije nismo imali nikakve šanse, a sada će ovakve manipulacije postati potpuno rutinske.“
Istraživanje je objavljeno u časopisu Cell, uz podršku Nacionalnog instituta za opće medicinske znanosti i Nacionalnog instituta za alergije i infektivne bolesti pri Nacionalnim institutima zdravstva (NIH).