Frontiers for Young Minds

Bacterii vs. viruși: Cel mai mare și mai mic război

Probabil ați auzit de bacteriile și virușii care cauzează boli umane și poate știți despre modul în care oamenii luptă împotriva bacteriilor cu ajutorul antibioticelor și despre cum prevenim infecțiile cauzate atât de bacterii, cât și de viruși cu ajutorul vaccinurilor. Dar bacteriile și virușii se luptă, de asemenea, între ele de foarte mult timp, iar studierea modului în care se luptă ne-a învățat multe despre modul în care organismele se schimbă în timp și a dus, de asemenea, la descoperirea unui instrument de cercetare extrem de interesant.

Acestă bătălie între bacterii și viruși se referă la capacitatea de a se reproduce. Atât bacteriile, cât și virușii se reproduc prin realizarea de copii identice ale lor, iar instrucțiunile pentru a face acest lucru sunt stocate în ADN-ul lor.

Cracking the DNA Code

ADN-ul este o moleculă lungă care este construită dintr-o combinație de patru molecule mai mici: adenină, timină, guanină și citosină (A, T, G și C pe scurt; Figura 1). Moleculele A, T, C și G pot fi înșirate împreună în mai multe ordine diferite pentru a forma un șir lung. Această combinație specifică de As, T, G și C este ca un cod. Un fir de ADN de unul singur nu va rezista foarte mult timp într-o celulă, așa că firele se împerechează în conformitate cu reguli specifice. As se poate împerechea doar cu Ts, iar Cs se poate împerechea doar cu Gs, astfel încât cele două șiruri sfârșesc prin a fi oarecum opuse unul altuia. Cele două șiruri ale unei molecule de ADN sunt complementare. Cele două șiruri complementare se răsucesc unul în jurul celuilalt pentru a forma o structură numită dublă elice.

Câteva secțiuni de ADN, numite gene, conțin instrucțiunile pentru construirea proteinelor (figura 1). Proteinele sunt moleculele principale care fac lucruri într-o celulă. Proteinele ajută la transformarea hranei noastre în energie, ele deplasează lucruri în interiorul celulelor și între celule și ajută celulele să comunice. Produsele proteice ale genelor și sarcinile pe care acestea le îndeplinesc reprezintă modul în care genele rezultă în trăsături fizice, cum ar fi culoarea ochilor sau părul drept sau creț.

O mare parte din ADN-ul nostru nu este de fapt gene, totuși. Multe dintre aceste alte secțiuni de ADN ajută celula să știe când să producă o anumită proteină și cât de mult din acea proteină ar trebui să producă.

Dar ce legătură are ADN-ul?

Acum, acum că știm că ADN-ul codifică pentru proteine, ne putem gândi la modul în care acest lucru ar putea permite unei bacterii sau unui virus să facă o copie a sa. Pentru ca o bacterie să se reproducă, aceasta trebuie să producă suficiente proteine și molecule pentru o altă celulă, să-și copieze ADN-ul astfel încât noua celulă să aibă informațiile de care are nevoie și, de asemenea, trebuie să se mărească și să se dividă. Un virus, în comparație, este mult mai simplu – doar niște ADN într-un înveliș proteic. Atât bacteriile, cât și virușii au instrucțiuni pentru fabricarea tuturor proteinelor care vor ajuta la toate sarcinile de reproducere. Așadar, ce este de ce să ne certăm?

Ne lipsește o parte importantă din această poveste – cum se fabrică o proteină? Se întâmplă cu ajutorul unei molecule numite ARN. ARN-ul este foarte asemănător cu ADN-ul, dar are doar o singură catenă. Proteine speciale pot face (sau „transcrie”) versiuni ARN ale genelor care pot fi „citite” de mașinăria celulară care „traduce” codul ARN și construiește o proteină (Figura 1). Vă puteți gândi la diferența dintre ARN și ADN în felul următor: ADN-ul este ca un manual de instrucțiuni, o schiță sau o carte de bucate. Nu se face nicio modificare la copia principală, dar dacă cineva dorește să facă ceva cu aceste instrucțiuni, mici porțiuni sunt copiate și trimise acolo unde produsul poate fi realizat din materialele adecvate. Aceasta este sarcina ARN-ului. Această etapă intermediară a ARN-ului este cea care cauzează probleme pentru viruși și bacterii. Bacteriile au instrucțiunile și instrumentele pentru fabricarea proteinelor, dar virușii au doar instrucțiunile – nu și instrumentele.

Modul în care unii viruși compensează acest lucru este prin deturnarea bacteriilor și folosirea instrumentelor acestora (figura 2). Acest tip de virus aterizează și se atașează la exteriorul bacteriei și își injectează ADN-ul în bacterie. Dacă bacteria nu își dă seama că ADN-ul viral nu este al său, va urma instrucțiunile din ADN-ul viral și va produce mai mulți viruși. Bacteria va face copii ale ADN-ului viral și o mulțime de proteine virale și va permite noilor viruși să se asambleze în interiorul bacteriei. În cele din urmă, noii viruși sparg bacteria și ies pentru a infecta alte bacterii .

Majoritatea bacteriilor care sunt infectate de un virus pe care nu l-au văzut niciodată vor muri. Din când în când, însă, o bacterie nu moare din cauza unei infecții virale. Acest lucru se poate întâmpla din cauza unei mutații în ADN-ul acelei bacterii. Mutațiile sunt modificări ale secvenței ADN a unei gene, ca niște mici greșeli, și se întâmplă tot timpul la bacterii atunci când acestea își copiază ADN-ul pentru generația următoare. Unele dintre aceste greșeli ucid bacteria, astfel încât aceasta nu are șansa de a transmite mutația la următoarea generație. Cu toate acestea, alte mutații pot trece neobservate… până când bacteria este invadată de un virus! Dintr-o dată se dovedește că mutația ajută de fapt bacteria să lupte împotriva virusului. Cele câteva bacterii norocoase care au această mutație utilă sunt cele care supraviețuiesc și se reproduc, iar acestea transmit aceste mutații utile urmașilor lor. Acești descendenți se reproduc la rândul lor și, în cele din urmă, mutația utilă este prezentă în majoritatea bacteriilor din populație. Această introducere a unei noi versiuni utile a unei gene într-un întreg grup de bacterii este un exemplu de evoluție.

CRISPR: Apărarea bacteriilor prin amintirea virușilor

În acest moment, probabil că vă întrebați cum arată rezistența la viruși în cazul bacteriilor, și aici intervine CRISPR (Figura 3). CRISPR este acronimul de la Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats (Repetiții Palindromice Interșalonate Regulat). Sună foarte sofisticat, dar este de fapt doar o descriere a unor regiuni speciale din ADN-ul bacterian. În aceste regiuni, există două tipuri de secvențe de ADN care alternează: repetări și spațieri. Repetițiile sunt aceeași colecție de litere care se repetă la nesfârșit, dar spațierii dintre ele sunt toți diferiți.

Când oamenii de știință au descoperit pentru prima dată aceste regiuni speciale de ADN, ei nu erau siguri care era scopul lor. Dar curând și-au dat seama că spațierii erau adesea foarte asemănători cu ADN-ul viral. De unde provenea acest ADN viral? Ar putea CRISPR să ajute, eventual, bacteriile să recunoască și să lupte împotriva virușilor?

În 2007, Rodolphe Barrangou și laboratorul său au decis să exploreze această idee (Fapt amuzant: Barrangou a lucrat pentru o companie de iaurt! Fabricarea iaurtului necesită bacterii, iar uneori aceste bacterii sunt anihilate de viruși. Era în interesul companiei să știe cum se protejează bacteriile de viruși ). Când Barrangou a comparat regiunea CRISPR a unui tip de bacterie nerezistentă la viruși cu cea a unei versiuni rezistente la viruși a aceleiași specii, au descoperit că singura diferență dintre ele era că versiunea rezistentă la viruși avea câțiva spațieri în plus. Ei au decis să facă un experiment pentru a afla de unde proveneau acești distanțieri suplimentari.

În primul rând, au expus bacteriile non-rezistente la virusuri la viruși până când bacteriile au devenit rezistente la virusuri. Când au comparat regiunile CRISPR ale bacteriilor nou-rezistente și non-rezistente, au descoperit că în bacteriile rezistente existau, de obicei, între unul și patru noi distanțieri și că acești noi distanțieri erau asemănători cu ADN-ul virușilor la care bacteriile fuseseră expuse. Acest lucru i-a făcut pe cercetători să creadă că distanțierii ar fi putut fi făcuți din ADN-ul viral.

Barrangou și laboratorul său au șters și inserat, de asemenea, mai mulți distanțieri care se potriveau cu diferiți viruși. Ei au descoperit că atunci când au șters un spacer de la o bacterie rezistentă la un virus, acea bacterie își pierdea rezistența la virusul corespunzător, iar atunci când adăugau spacerii, bacteria devenea rezistentă la virusul corespunzător, chiar dacă nu mai văzuse niciodată acel virus. Barrangou și laboratorul său au ajuns la concluzia că spațierii din regiunile CRISPR oferă rezistență la viruși prin salvarea unei părți din ADN-ul viral, ceea ce permite bacteriei să le „țină minte” .

Rezistența la virus (imunitatea) apare ca răspuns la infecție. În mod normal, imunitatea nu este transmisă descendenților, dar cu CRISPR, poate fi transmisă, deoarece imunitatea este de fapt codificată în ADN, care se transmite din generație în generație .

De când Barrangou a făcut primele experimente CRISPR, ne-am dat seama de multe lucruri despre modul în care CRISPR funcționează pentru a împiedica virușii să distrugă celula. Bacteria taie o parte din ADN-ul viral și îl adaugă într-o regiune CRISPR din propriul ADN. Dacă virusul revine, bacteria produce ARN din regiunea CRISPR specifică pentru acel virus. Aceste copii de ARN se împerechează cu unele proteine cas (CRISPR-asociate). ARN-ul ghidează proteina cas către ADN-ul viral invadator, astfel încât proteina să îl poată distruge. Nu mai există ADN viral, nu mai există noi viruși. Aceste copii de ARN se împerechează cu unele proteine cas (CRISPR-asociate), care sunt realizate din genele cas.

Dincolo de bacterii: CRISPR în laborator

Când a fost descoperit acest mecanism, oamenii de știință au realizat rapid că CRISPR ar putea avea multe utilizări interesante și incitante în laborator . Oamenii și-au dat seama că puteau da unei proteine cas versiunea ARN a oricărei bucăți de ADN pe care doreau să o găsească și, cu ajutorul ARN-ului, proteina se va duce acolo și va face modificări la ADN. Proteinele Cas pot schimba o literă, ceea ce este adesea suficient pentru a face ca gena să nu mai funcționeze, sau proteinele Cas pot șterge o întreagă genă sau o secțiune a unei gene.

Aceasta face din CRISPR un instrument minunat pentru genetică, care este studiul trăsăturilor moștenite. Una dintre modalitățile prin care geneticienii își dau seama cum funcționează genele este prin ștergerea sau inactivarea lor și observarea a ceea ce nu merge bine în organism. Acest lucru se face de mulți ani, dar CRISPR ne permite să facem acest lucru mai rapid și mai precis ca niciodată.

Este, de asemenea, posibil ca CRISPR să fie folosit pentru a corecta mutațiile dăunătoare care cauzează boli la oameni, dar acest lucru ridică unele întrebări etice serioase. Cum vom decide când să folosim această tehnologie? Și este în regulă să facem modificări genetice care pot fi moștenite de un individ care nu și-a dat consimțământul pentru aceste modificări? Suntem încă departe de CRISPR la oameni, dar este important să ne punem aceste întrebări cât mai curând, mai degrabă decât mai târziu.

Contribuții ale autorilor

MC a scris manuscrisul și a generat toate figurile. JJ a supravegheat activitatea și a comentat manuscrisul în toate etapele. Ambii autori au revizuit manuscrisul final.

Glosar

DNA: Acid dezoxiribonucleic, o moleculă lungă alcătuită dintr-o combinație de patru molecule mai mici (A, C, T și G) care codifică toate informațiile din celulă.

Două elice: Forma pe care o formează ADN-ul atunci când cele două șiruri complementare ale moleculei se împerechează și se răsucesc.

Gena: O secțiune de ADN care codifică pentru o proteină.

Proteină: O clasă de molecule mari, cu structură complicată, responsabile pentru o mare parte din activitatea celulară.

ARN: Acid ribonucleic, o moleculă monocatenară formată din As, Gs, Cs și Us. ARN-ul poate servi ca mesager între ADN și mașinăria celulară care produce proteine, dar are și alte funcții.

Mutație: O modificare a secvenței ADN a unui organism, cum ar fi adăugarea, schimbarea sau ștergerea unui A, C, T sau G.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): Numele dat unei regiuni speciale a unor genomuri bacteriene care conține secvențe alternante de spațiere și repetiție. Este, de asemenea, numele dat unui proces prin care bacteriile se apără de infecțiile virale și pentru o tehnologie de laborator care permite editarea genelor.

Gene Cas: Gene asociate CRISPR adiacente la loci CRISPR de spațieri și repetiții. cas9 este o genă cas.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Salmond, G. P. C., și Fineran, P. C. 2015. Un secol al fagului: trecut, prezent și viitor. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Editor de ADN revoluționar născut din bacterii. Quanta Magazine. Disponibil online la adresa: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (accesat la 26 noiembrie 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR oferă rezistență dobândită împotriva virușilor la procariote. Science 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., și Marraffini, L. A. 2014. Sistemele CRISPR-Cas: upgrade-ul procariotelor la imunitatea adaptivă. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011

.