Nowy mechanizm, który umożliwia fagom przedostanie się do wnętrza bakterii, odkryli naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego. – To jest ten moment w nauce, dla którego warto pracować! – podsumowuje dr hab. Rafał Mostowy, lider zespołu badawczego z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ.
Antybiotyki to jeden z największych triumfów medycyny XX wieku. Stosowane są w leczeniu zakażeń bakteryjnych – działają poprzez hamowanie wzrostu bakterii lub ich zabicie. Sęk w tym, że bakterie ewoluują – i to szybciej, niż jesteśmy w stanie reagować. Niezbędna jest więc nowa broń do skutecznej walki z nimi. Jak się okazuje, natura już ją przygotowała.
Bakteriofagi (lub fagi) to wirusy infekujące wyłącznie bakterie. Istnieją na Ziemi od miliardów lat i przez ten czas wyspecjalizowały się w precyzyjnym rozpoznawaniu i – jeśli potrzeba – niszczeniu konkretnych szczepów bakterii. Zainteresowanie bakteriofagami jako narzędziem medycznym rośnie, szczególnie w kontekście antybiotykooporności – procesie, w którym bakterie ewoluują i uczą się pokonywać antybiotyki niezależnie od tego, czy my sami je przyjmujemy. Lekooporne szczepy stają się wtedy zagrożeniem dla każdego z nas: nie tylko przy zwykłej infekcji, ale podczas hospitalizacji, operacji czy chemioterapii, kiedy skuteczna antybiotykoterapia bywa kwestią życia i śmierci. Jednym z rozwiązań mogą być właśnie bakteriofagi – ale aby skutecznie te wirusy wykorzystać, trzeba najpierw dobrze zrozumieć, jak działają.
Jak działają fagi?
Pałeczka zapalenia płuc – jedna z głównych przyczyn groźnych zakażeń szpitalnych – chroni się grubą cukrową otoczką, rodzajem chemicznego pancerza, co jest problemem dla naszego układu odpornościowego. Z pomocą przychodzą fagi, które wyglądają jak miniaturowe mechaniczne pająki: mają głowę, w której przechowują swój materiał genetyczny, i nóżki, którymi przyczepiają się do bakterii. Na końcach tych nóżek znajdują się wyspecjalizowane białka — swoiste klucze dobrane do konkretnej bakteryjnej otoczki. Przez długi czas sądzono, że te klucze mają jedną formę: enzym zwany depolimerazą, który fizycznie rozgryza cukrowy pancerz.
Badania zespołu dr. hab. Rafała Mostowego z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, we współpracy z grupą prof. Zuzanny Drulis-Kawy z Uniwersytetu Wrocławskiego, pokazują, że jest to obraz niepełny.
Aby lepiej zrozumieć, jak fagi rozpoznają bakteryjne otoczki, wpadliśmy na pomysł swoistej archeologii wirusowej. Okazuje się, że bakterie często mają w sobie zakodowane uśpione wirusy – resztki dawnych infekcji, które zamiast zniszczyć bakterię, wbudowały się w jej DNA i tam pozostały. Postanowiliśmy je przeszukać za pomocą komputerów. Używając metod uczenia maszynowego, szukaliśmy statystycznych powiązań między białkami tych uśpionych wirusów a typem otoczki ich bakteryjnego gospodarza. Innymi słowy: która sekwencja białkowa „pasuje” do której bakteryjnej otoczki – relacjonuje dr hab. Rafał Mostowy.
Wyniki zaskoczyły badaczy. Obok spodziewanych enzymów rozgryzających pancerz otoczki, w tym wielu nowych, znaleźli zupełnie inną klasę białek, które zamiast niszczyć pancerz, odcinają jego drobne chemiczne dekoracje.
Wyobraźmy sobie, że otoczka bakterii to ściana pokryta tysiącami małych haczyków. Niektóre wirusy tę ścianę wyburzają, a inne, jak właśnie odkryliśmy, po cichu odrywają haczyki. Mechanizm ten wystarczy, aby mogły dostać się do środka – opisuje lider zespołu i dodaje: – Zaczęliśmy od kodu. Komputer wskazał nam interesujące sekwencje DNA, my zamieniliśmy je w prawdziwe białka w laboratorium i okazało się, że działają. To jest ten moment w nauce, dla którego warto pracować!
Wygrana bitwa, lecz walka trwa nadal
Odkrycie naukowców z MCB UJ oznacza w praktyce, że fagom można przypisać znacznie bogatszy zestaw narzędzi, niż dotąd sądzono. To o tyle ważne, że każdy nowo odkryty mechanizm rozpoznawania bakteryjnej otoczki jest potencjalnie nowym narzędziem terapeutycznym – czymś, co można zaprojektować, zmodyfikować i skierować przeciwko konkretnym, opornym szczepom. Bakterie nieustannie ewoluują i zmieniają swoje otoczki. Im więcej wiemy o tym, jak fagi radzą sobie z tą różnorodnością, tym lepiej jesteśmy przygotowani na kolejne zagrożenia.
Wyniki badań naukowcy opublikowali na łamach w PLOS Biology, a także w formie… komiksu, który prezentujemy poniżej.
MK, źródło: MCB UJ
Ciekawe, lecz przyznam, że wolę antybiotyki. Są prostsze i łatwiej zrozumieć jak działają. Bakterie ewoluują, to prawda, ale rzadko stają się odporne na więcej niż kilka antybiotyków, co nadal powala po posiewie i testach zastosować jeszcze jeden lub kilka innych antybiotyków.
Bakterie ewoluują, fagi także, tyle, że szybciej od swoich gospodarzy. Pozostaną w przyrodzie i pójdą swoją drogą, niezależnie od nas. Mówią na to "gene pollution". Pewnie także dlatego o terapiach fagowych mówi się z nadzieją od lat ponad czterdziestu, a terapie fagowe pozostają mało popularne. I słusznie.