Co nowe terapie antybakteryjne mają wspólnego z meblami ze znanej sieciówki? Ostatnie odkrycia naukowców z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ sugerują, że łączą je… wirusy. Wszyscy wiemy, że choroby zakaźne wywoływane są przez bakterie i wirusy. Nie każdy jednak zdaje sobie sprawę z tego, że bakterie też mają swoje wirusy. Bakteriofagi – bo tak one się nazywają – infekują komórkę bakteryjną, co często kończy się śmiercią dla bakterii.
Co ciekawe, te mordercze wirusy bakteryjne to ogromna szansa dla ludzkości. Od kilku dekad zmagamy się z problemem lekooporności. Szczepy bakteryjne oporne na działanie wielu, a czasem nawet wszystkich znanych antybiotyków, są coraz większym problemem w szpitalach i poza nimi. Według szacunków, przy utrzymującym się trendzie antybiotykooporności, za 30 lat liczba zgonów wywołana zakażeniem opornymi na antybiotyki mikroorganizmami może wynieść aż 10 milionów. Nie nadążając z produkcją nowych antybiotyków, ludzkość od lat szuka nowych rozwiązań, w tym także w bakteriofagach.
Czy w takim razie jesteśmy w stanie skutecznie wykorzystać bakteriofagi w medycynie? Tutaj nauka ma złą i dobrą wiadomość.
Zła wiadomość jest taka, że bakterie i bakteriofagi trwają w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń od miliardów lat: rozpoczęły go długo zanim na Ziemi pojawiły się pierwsze komórki zwierzęce. Te miliardy lat doświadczenia sprawiły, że bakterie wykształciły swój własny system odpornościowy, który skutecznie pozwala im się bronić przed bakteriofagami.
Dobra wiadomość jest jednak taka, że bakteriofagi mimo wszystko potrafią szybko się zmieniać i omijać bakteryjną odporność. Problem jednak polega na tym, że nie do końca rozumiemy, jak to się odbywa. Żeby móc odblokować terapeutyczny potencjał bakteriofagów, musimy lepiej zrozumieć, jak przystosowują się one do szybko ewoluujących komórek bakteryjnych.
Nowe badania naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego sugerują coś zaskakującego. Okazuje się, że wirusy bakteryjne są niewiarygodnie plastyczne genetycznie.
Przypomnijmy, że każdy żywy organizm zawiera materiał genetyczny (genom), który składa się z wielu genów. Geny kodują informacje na temat różnych cech, np. koloru oczu czy skóry u ludzi.
– Biolodzy powszechnie wiedzą, że zarówno żywe organizmy, jak i wirusy – które też posiadają materiał genetyczny – potrafią przetasowywać geny, wymieniając się nimi z innymi komórkami. To bardzo skuteczny mechanizm ewolucji, ponieważ zamiast czekać na odpowiednią mutację, mogą wykorzystać różnorodność, która już istnieje w populacji. To tak jak gra w karty: zamiast grać tymi samymi kartami w kolejnej rundzie i spodziewać się przełamania złej passy, opłaca się lepiej je przetasować w każdej rundzie. Biologia wymyśliła to ponad miliard lat temu. W naszych badaniach chcieliśmy zobaczyć, jaką "strategią" kierują się wirusy bakteryjne – mówi dr hab. Rafał Mostowy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ, który kierował badaniami.
Naukowcy wykorzystali nowoczesne narzędzia bioinformatyczne do czułego i precyzyjnego porównania ze sobą setek tysięcy genów wirusów bakteryjnych. Analizując dane, zobaczyli coś zaskakującego: wiele z różnych genów dzieliło między sobą fragmenty.
– Nasze badania ujawniają, że geny bakteriofagów często składają się z oddzielnych fragmentów, zdolnych do niezależnej ewolucji i łączenia się w różnorodne kombinacje. To można porównać do gry w karty, gdzie zamiast standardowego zestawu 52 kart, mamy do dyspozycji ich rozdzielone fragmenty. Te fragmenty mogą być następnie tasowane w setki unikatowych kombinacji, tworząc zupełnie nowe "karty". Dzięki temu niektóre geny są bardziej "plastyczne" genetycznie, niż inne i mają przez to zdolność do szybkiego dostosowania się do szybko ewoluujących bakterii – dodaje dr hab. Rafał Mostowy.
Badania wskazują, że najbardziej plastyczne geny w bakteriofagach to te, które kodują specjalne białka walczące z bakteriami. Te białka są kluczowe dla opracowywania nowych metod leczenia, wykorzystujących bakteriofagi do zwalczania bakteryjnych infekcji. Przykłady takich białek stanowią "ogonki fagowe", które potrafią rozpoznać konkretne szczepy bakterii, albo endolizyny, które niszczą niektóre komórki bakteryjne rozkładając specyficzny rodzaj ściany komórkowej. Te odkrycia otwierają nowe możliwości w opracowywaniu precyzyjnych terapii antybakteryjnych, które celują w szkodliwe bakterie, jednocześnie chroniąc te, które są dla nas korzystne.
Wyniki badań naukowców z UJ stawiają również w nowym świetle nasze zrozumienie ewolucji.
– Do tej pory uważano, że geny są fundamentalnymi jednostkami dziedziczenia i procesu ewolucyjnego. Nasze badania dodają kolejny poziom złożoności w tym temacie pokazując, że czasami to nie tyle geny, a ich fragmenty mogą być postrzegane jako bardziej podstawowe jednostki ewolucji – mówi dr Bogna Smug z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ, autorka publikacji.
Przeprowadzone badania mają również zastosowanie w rozwoju nowych terapii antybakteryjnych.
– Bakteriofagi są bardzo "wybredne" pod kątem bakterii i infekują tylko konkretne szczepy bakteryjne. Dlatego ogromnym wyzwaniem w użyciu terapeutycznym bakteriofagów przeciwko lekoopornym bakteriom jest ich odpowiednie dopasowanie. Nasze badania wskazują na rewolucyjną możliwość projektowania tego typu terapii. To tak jakby porównywać antyczne meble z tymi składanymi ze szwedzkiej sieciówki. W przypadku modułowych zestawów, umeblowanie i jego funkcjonowanie można zmienić w mgnieniu oka, a niepasujący lub zepsuty element szybko wymienić na nowy. Tak samo terapie przeciwbakteryjne mogą opierać się na składaniu nowych fragmentów białek tak, żeby dopasować się do danego szczepu lekoopornego – dodaje dr Smug.
Link do publikacji: www.nature.com/articles/s41467-023-43236-9]
Badania zostały dofinansowane przez Narodową Akademię Wymiany Akademickiej, Narodowe Centrum Nauki oraz EMBO (European Molecular Biology Organization - Europejska Organizacja Biologii Molekularnej). Koszt publikacji został pokryty z programu Inicjatywa Doskonałości Naukowej, priorytetowy obszar badawczy BioS.
