Οι ερευνητές επιλύουν το παλιό μυστήριο για το πώς τα φάγοι αφοπλίζουν τα παθογόνα βακτηρίδια

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν προβληματιστεί από το πώς ορισμένοι ιοί που ονομάζονται φάγοι μπορούν να μολύνουν και να αφοπλίζουν παθογόνα βακτήρια, παρέχοντας μια πιθανή φυσική άμυνα κατά των βακτηριακών λοιμώξεων. Τώρα, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley, έχουν λύσει αυτό το μυστήριο, αποκαλύπτοντας τους λεπτομερείς μοριακούς μηχανισμούς με τους οποίους οι φάγοι εξουδετερώνουν τις άμυνες αυτών των βακτηρίων που προκαλούν ασθένεια. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Structural &Molecular Biology, ρίχνουν φως σε μια θεμελιώδη πτυχή της βιολογίας φάγου και ανοίγουν νέες οδούς για την εξερεύνηση θεραπειών με βάση το φάγους για την καταπολέμηση των βακτηριακών λοιμώξεων. "Αυτή είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην κατανόησή μας για το πώς οι φάγοι αλληλεπιδρούν με τα βακτήρια", δήλωσε η Jennifer Doudna, βραβευμένος με Νόμπελ και βιοχημικός στο UC Berkeley που ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας. "Έχουμε τελικά ξεκλειδώσει το μυστικό για το πώς οι φάγοι είναι σε θέση να παρακάμψουν τους προστατευτικούς μηχανισμούς των παθογόνων βακτηρίων και να τους καταστρέψουν αποτελεσματικά". Στο επίκεντρο αυτού του μηχανισμού υπάρχει ένα μοριακό σύστημα «κλειδώματος και κλειδιού». Τα παθογόνα βακτήρια διαθέτουν μοναδικές πρωτεϊνικές δομές που ονομάζονται συστήματα CRISPR-CAS που δρουν ως ανοσολογικές άμυνες έναντι εισβολών ιών. Αυτά τα συστήματα αναγνωρίζουν και στοχεύουν στο γενετικό υλικό των ιών, εμποδίζοντας την αντιγραφή τους και προστατεύοντας τα βακτήρια από τη μόλυνση. Ωστόσο, οι φάγοι έχουν εξελίξει ένα έξυπνο αντίμετο. Παράγουν εξειδικευμένες πρωτεΐνες γνωστές ως αντι-CRISPRs, οι οποίες δεσμεύουν ειδικά και εμποδίζουν το μηχανισμό CRISPR-CAS των βακτηρίων. Με την εξουδετέρωση αυτού του αμυντικού συστήματος, οι φάγοι κερδίζουν το πάνω χέρι και μπορούν να μολύνουν με επιτυχία και να αναπαραχθούν μέσα στα βακτήρια. Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό βιοχημικών, δομικών και γενετικών τεχνικών, οι ερευνητές εντοπίζουν τις ακριβείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών αντι-CRISPR και των συστατικών CRISPR-CAS. Έδειξαν πώς αυτές οι αντι-CRISPR πρωτεΐνες μιμούνται τις αλληλουχίες DNA που στοχεύουν το σύστημα CRISPR-CAS, που λειτουργούν ως δοκοί που αποσπούν και καθιστούν τον αμυντικό μηχανισμό αναποτελεσματικό. "Είναι σαν οι φάγοι να χρησιμοποιούν ένα κύριο κλειδί για να ξεκλειδώσουν το σύστημα ασφαλείας των βακτηρίων", εξήγησε ο επικεφαλής συγγραφέας Benjamin Rauch, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο της Doudna. "Μιμώντας τους στόχους DNA του συστήματος CRISPR-CAS, οι πρωτεΐνες αντι-CRISPR εξαπατούν τα βακτήρια και δημιουργούν ένα παράθυρο ευκαιρίας για να πάρει τον έλεγχο". Η κατανόηση αυτού του μοριακού μηχανισμού έχει επίσης σημαντικές επιπτώσεις στην ανάπτυξη θεραπειών με βάση το φάγο, γνωστές ως θεραπεία φάγου. Οι φάγοι έχουν κερδίσει την προσοχή ως πιθανές εναλλακτικές λύσεις στα αντιβιοτικά, προσφέροντας έναν τρόπο να στοχεύουν και να καταστρέφουν συγκεκριμένα παθογόνα βακτήρια, αφήνοντας τα ευεργετικά βακτήρια του εντέρου χωρίς βλάβη. Με τη μηχανική φάγους για τη μεταφορά θεραπευτικών ωφέλιμων φορτίων ή με την ενίσχυση της ικανότητάς τους να ξεπεράσουν τις βακτηριακές άμυνες, οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών θεραπειών φάγου. Οι φάγοι είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόροι για τη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων που έχουν καταστεί ανθεκτικές στα παραδοσιακά αντιβιοτικά, προσφέροντας μια ανανεωμένη ελπίδα στον αγώνα κατά των ανθεκτικών σε ναρκωτικά παθογόνα. Προχωρώντας προς τα εμπρός, οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν τις ευρύτερες επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων και να διερευνήσουν τις πιθανές εφαρμογές αντι-CRISPR πρωτεϊνών σε διάφορες βιοτεχνολογικές και θεραπευτικές ρυθμίσεις. Με το ξεκλείδωμα των μυστικών των αλληλεπιδράσεων φάγου-βακτηρίων, ελπίζουν να αξιοποιήσουν τη δύναμη αυτών των φυσικών βιολογικών παραγόντων για την καταπολέμηση ορισμένων από τις πιο πιεστικές παγκόσμιες προκλήσεις για την υγεία.