Eine Bakterienzelle (rot), die von einem Jumbo-Phagen (grün und blau) infiziert wurde. (Pogliano Lab/UCSD) Da es immer schwieriger wird, antibiotikaresistente Bakterien zu besiegen, macht es absolut Sinn, diejenigen zu konsultieren, die lange vor uns mit unserem alten Feind gekämpft haben.
Viren So genannte Bakteriophagen kollidieren schon lange bevor wir überhaupt existierten mit Bakterien. Deshalb haben Forscher der University of California in San Diego einige der weniger untersuchten Jumbo-Phagen genauer unter die Lupe genommen, insbesondere 201phi2-1, der infiziert Pseudomonas chlororaphis Bakterien.
Benannt nach ihrem großen Genom von über 200.000 Basenpaare lang (die meisten Phagen, die infizieren Pseudomonas haben Genome mit weniger als 100.000 Basenpaaren ) verfügen Jumbophagen über ein Arsenal an Techniken, um bakteriellen Abwehrmechanismen entgegenzuwirken. Frühere Recherchen ergaben Eine dieser Taktiken war der Aufbau eines Schutzschildes um sein genetisches Material, das den Lebenszyklus dieser Viren einzigartig machte.
Eine Kryo-EM-Darstellung des Jumbo-Phagen im Vergleich zum T4-Phagenvirus. (Villa Lab/UCSD)
Die Trennung von genomischem Material vom Rest des Zellinhalts durch Einschließen „wurde bisher angenommen, dass es sich nur einmal in der Geschichte des Lebens entwickelt hat“, schreiben der Molekularbiologe Thomas Laughlin und seine Kollegen ihr neues Papier . Aber es stellt sich heraus, dass diese kleinen Riesen uns zuvorkommen.
„Es ist eine andere Art von Abteil – anders als alles, was wir jemals in der Natur gesehen haben“, sagt Biophysikerin Elizabeth Villa.
Normalerweise injizieren Phagen ihr genetisches Material in die Bakterien, wo es frei im inneren Schleim (Zytoplasma) der Zelle schwimmt Virus entführt die Ausrüstung des Bakteriums, um sich zu vermehren. Aber diese Jumbo-Phagen bauen kurz nach dem Eintritt in ihren Wirt ein trennendes Kompartiment um ihre DNA herum auf, ähnlich wie unsere Zellen einen Kern haben, der unsere DNA schützt.
Das körperlich verhindert die Bakterien CRISPR „Immunsystem“ (ja, es sind die gleichen Systeme, die wir Menschen für unsere eigenen Genmanipulationszwecke kooptiert haben) und andere Abwehrenzyme daran zu hindern, sich mit der viralen DNA herumzuschlagen.
Laughlin und ihr Team nutzten Kryo-Elektronenmikroskopie Und Tomographie um dieses Kompartiment bis auf die atomare Skala zu untersuchen. Die Schutzhülle bestand aus nur einer einzigen Proteinart, die die Forscher nach einem alten aztekischen Schild Chimallin nannten.
(Villa Lab/UCSD)
Über: Mikroskopische Aufnahme einer mit Jumbo-Phagen infizierten Bakterienzelle (links) und kernähnlichem Kompartiment, blau umrandet (rechts).
Mit Hilfe von Computermodellen fanden die Forscher heraus, dass der Phagenkern Molekülen selektiv den Durchgang durch winzige Poren ermöglicht – wiederum ähnlich wie Zellen die Umgebung unseres genetischen Materials kontrollieren, was dies zu einem bemerkenswerten Beispiel für konvergente Evolution macht – wenn am Ende völlig unverwandte Organismen entstehen mit einer ähnlichen Lösung für das gleiche biologische Problem.
„Die Kernpore in Eukaryoten ist eine gigantische, komplexe Struktur mit sehr unterschiedlichen Methoden, um die meisten Proteine fernzuhalten, andere jedoch gezielt zu importieren.“ „Was wir mit dem Jumbo-Phagen wahrscheinlich vor uns haben, ist eine wesentlich einfachere Methode zur Lösung desselben Problems“, erklärt Biochemiker Kevin Corbett. „Es ist eine erstaunlich kreative Lösung – ähnlich, aber einfacher – zum Schutz seines Genoms vor der Außenwelt durch den Bau einer Mauer, die es von der bakteriellen Abwehr trennt.“
Unglaublicherweise kann dieser Schutzschild auch wachsen, wenn sich das Genom des Phagen repliziert. Die Forscher sind sich noch nicht ganz sicher, wie die Phagen das schaffen, vermuten aber, dass das Kompartiment wahrscheinlich aufbricht, damit sich mehr Chimallin-Einheiten anschließen können, die bei einer Infektion in Hülle und Fülle produziert werden.
„Da wir nun wissen, dass bestimmte Phagen einen Schutzschild haben, könnten wir ihn anderen Phagen geben und „Superphagen“ herstellen, die besser darin sind Phagentherapie und die bakterielle Abwehr überwinden“, sagt Zellbiologe Joe Pogliano.
„Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die Struktur des Chimallin-Proteins zu verstehen, das den Schutzschild bildet, was einer der Gründe ist, warum diese Arbeit so wichtig ist.“
Die Phagentherapie wird bereits angewendet Patienten mit Superbakterien-Infektionen erfolgreich behandeln . Es ist auch wird für die Anpassung unseres Mikrobioms in Betracht gezogen wenn sie aus dem Gleichgewicht geraten.
Da diese lästigen Bakterienstämme nicht sterben wollen, sind sie es auch Bis 2050 werden voraussichtlich jährlich 10 Millionen Menschen sterben . Daher kann jeder Hinweis, den wir vom Feind unseres Feindes bekommen können, um uns besser zu verteidigen, nicht früh genug kommen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .