Istraživači sa Univerziteta u Pittsburghu napravili su do sada najdetaljniju sliku bakteriofaga – bakterijskih virusa koji napadaju i ubijaju bakterije. Ovo istraživanje im je omogućilo da prvi put jasno vide strukturu dijela virusa koji se direktno veže za ciljnu ćeliju bakterije iz roda Mycobacterium.
„Sada imamo neku vrstu tehničke dokumentacije za dizajniranje faga koji će se moći vezati za različite tipove ćelija“, kaže Graham Hatfull , profesor biotehnologije na Univerzitetu u Pittsburghu . “Ovo je izuzetno važno jer nakon što se bakteriofag veže za bakterijsku ćeliju, on probija ćelijsku membranu i ubrizgava svoju DNK, pretvarajući bakteriju u ‘fabriku’ za nove fage.”
S obzirom na to da sve više bakterija postaje otporno na antibiotike koje danas koristimo, fagovi su u nekim slučajevima jedina opcija za suzbijanje bakterijskih infekcija. Međutim, fagovi su izuzetno specijalizirani: određena vrsta faga obično napada samo jednu vrstu ili soj bakterija. Stoga bi mogućnost inženjeringa faga s ciljem ciljanja i uništavanja specifičnih bakterija mogla revolucionirati medicinu.
Fagi evoluiraju već milijardama godina i uprkos njihovoj ogromnoj raznolikosti, gotovo svi dijele slične komponente: kapsidu (glavu), repni filament i vrh repa. Neke dijelove faga je lakše prikazati od drugih. Fagna kapsida izgleda kao glava postavljena na usku repnu nit, a istraživači već neko vrijeme mogu snimati fagne kapside u visokoj rezoluciji.
Istraživački tim Sveučilišta u Pittsburghu proizveo je dosad najdetaljniju snimku bakteriofaga – bakterijskih virusa koji napadaju i ubijaju bakterije. / Fotografija: © Structure and infection dynamics of mycobacteriophage Bxb1 / C
„Prvo, ogroman je i lako ga je pronaći“, kaže Krista Freeman , istraživačka saradnica u Hatfullovom laboratoriju. “Kapsida je također sastavljena od 60 simetričnih dijelova, što omogućava prosječno povećanje signala tokom snimanja. Snimanje faga kriogenom elektronskom mikroskopijom, jednom od dvije tehnike korištene u ovom radu, zahtijeva spajanje velikog broja slika iz različitih uglova. Zahvaljujući simetriji kapside, potrebno je relativno malo slika za rekonstrukciju cijele strukture.”
„Ostatak tijela faga je mnogo manji i manje simetričan, tako da moramo biti mnogo pažljiviji“, dodaje Freeman. “Morate pronaći više čestica, morate više pretraživati i morate obaviti više ručne manipulacije. Ovaj proces je mnogo manje automatiziran od snimanja kapsida.”
Fagi su sastavljeni od isprepletenih, uvijenih snopova proteina koji prolaze kroz njihovu strukturu. Oni su manje poput globusa s površinskim informacijama, a više poput cvjetne skulpture ispletene od spiralnih opruga. U praksi, to znači da su potrebne desetine hiljada slika faga iz različitih uglova da bi se rekonstruisala kompletna slika.
Zahvaljujući ogromnoj količini podataka i moćnim računarskim resursima, Freeman je uspio rekonstruirati repni filament i, što je najvažnije, vrh repa – ključni dio za prepoznavanje i vezivanje bakterije. Trenutno, naučnici još uvijek ne znaju zašto određeni fag napada određeni soj bakterija.
„Vrh repa je dio koji prepoznaje bakterijsku ćeliju“, objašnjava Hatfull. “Zato smo toliko zainteresovani.”
Njihove slike visoke rezolucije omogućile su im da vide strukture koje su ranije bile vidljive samo kao mutne sive mrlje koje su označavale gustinu elektrona.
„Sada možete vizualizirati svaku molekularnu komponentu ovog sistema, i jednostavno je nevjerovatno koliko je vrh repa složen“, kaže Freeman. Nove slike također otkrivaju strukturne informacije koje naučnici mogu koristiti kako bi bolje razumjeli tačku kontakta između faga i ciljne bakterije.
Snimke su postale još dinamičnije zahvaljujući radu Raphaela Parka i njegovih kolega s Istraživačkog instituta Scripps, koji su koristili drugu tehniku snimanja – kriogenu elektronsku tomografiju. Ova metoda omogućila je snimanje fagova koji su već vezani za bakterijsku stanicu, prikazujući cijeli fag i točno mjesto njegova vezanja na površinu bakterije.
Neke slike faga jasno pokazuju njihovu DNK unutar kapside, dok druge pokazuju DNK kako prolazi kroz bakterijski ćelijski zid. Između ove dvije faze, „dolazi do suptilnih promjena u strukturi faga“, kaže Hatfull. Ove razlike bi mogle ukazivati na mehanizam kojim se DNK oslobađa iz kapside ili transportuje kroz repni filament.
„Ovo su nova otkrića i mnoga pitanja ostaju otvorena“, kaže Graham Hatfull. Ali Hatfull, Freeman i istraživači širom svijeta sada mogu ozbiljno početi razmišljati o stvaranju faga koji će prepoznavati različite bakterije. “Prije nismo imali nikakve šanse, a sada će takve manipulacije postati potpuno rutinske.”
Istraživanje je objavljeno u časopisu Cell, uz podršku Nacionalnog instituta za opće medicinske znanosti i Nacionalnog instituta za alergije i infektivne bolesti pri Nacionalnim institutima zdravstva (NIH).
ekovijesnik.hr
