Badacze z UJ odkryli unikalne białka wirusów, które zamiast niszczyć pancerz bakterii, odcinają jego elementy. Nowa strategia walki z antybiotykoopornością.

Bakteriofagi, czyli wirusy infekujące bakterie, posługują się znacznie bogatszym zestawem narzędzi niż dotąd sądzono. Badacze z MCB UJ odkryli białka fagów, które w nieznany dotąd sposób potrafią pokonać pancerz ochronny bakterii i zniszczyć ją. Każdy taki mechanizm to potencjalnie nowe narzędzie terapeutyczne.

Bakteriofagi istnieją na Ziemi od miliardów lat i przez ten czas wyspecjalizowały się w precyzyjnym rozpoznawaniu i, jeśli potrzeba, niszczeniu konkretnych szczepów bakterii.

Bakteriofagi a antybiotykooporność – nowa nadzieja medycyny

Zainteresowanie bakteriofagami jako narzędziem medycznym rośnie, szczególnie w kontekście antybiotykooporności, czyli procesu, w którym bakterie ewoluują i uczą się pokonywać antybiotyki. Lekooporne szczepy stają się wtedy zagrożeniem nie tylko przy zwykłej infekcji, ale podczas hospitalizacji, operacji czy chemioterapii, kiedy skuteczna antybiotykoterapia bywa kwestią życia i śmierci.

Jednym ze sposobów na rozwiązanie problemu antybiotykooporności mogą być właśnie bakteriofagi, ale aby skutecznie te wirusy wykorzystać, naukowcy muszą najpierw dobrze zrozumieć, jak działają.

Mechanizm działania wirusów: Jak fagi niszczą pałeczkę zapalenia płuc?

Przykładem może być pałeczka zapalenia płuc, która jest jedną z głównych przyczyn groźnych zakażeń szpitalnych. Chroni się ona grubą cukrową otoczką, rodzajem chemicznego pancerza, stanowiąc problem 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, prof. UJ z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, przy współpracy z badaczami z Uniwersytetu Wrocławskiego, pokazują, że jest to obraz niepełny. Wyniki prac na ten temat badacze opublikowali w PLOS Biology.

Archeologia wirusowa i uczenie maszynowe w służbie biotechnologii

– 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, czyli resztki dawnych infekcji, które zamiast zniszczyć bakterię, wbudowały się w jej DNA i tam pozostały. Postanowiliśmy je przeszukać. 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 – wyjaśnił prof. Mostowy.

Wyniki okazały się zaskakujące, bo obok spodziewanych enzymów rozgryzających pancerz otoczki, w tym wielu nowych, badacze znaleźli zupełnie inną klasę białek – takich, które zamiast niszczyć pancerz, odcinają jego drobne chemiczne elementy.

Przełomowe odkrycie białek odcinających „chemiczne haczyki” bakterii

– Wyobraźmy sobie, że otoczka bakterii to nie gładka ściana, ale ściana pokryta tysiącami małych haczyków. Niektóre wirusy ścianę wyburzają, a inne, jak odkryliśmy – po cichu odrywają haczyki. Mechanizm ten wystarczy, aby mogły dostać się do środka – opisał prof. Mostowy. — Zaczęliśmy od kodu. Komputer wskazał nam interesujące sekwencje DNA, my zamieniliśmy je w prawdziwe białka w laboratorium i okazało się, że działają – dodał.

W praktyce oznacza to, że fagi posługują się znacznie bogatszym zestawem narzędzi, niż dotąd sądzono. Ale dlaczego to ważne? Bo każdy nowo odkryty mechanizm rozpoznawania bakteryjnej otoczki to potencjalnie nowe narzędzie terapeutyczne – coś, co można zaprojektować, zmodyfikować i skierować przeciwko konkretnym, opornym szczepom.

– Bakterie nieustannie ewoluują i zmieniają swoje otoczki. My musimy za nimi nadążać. Im więcej wiemy o tym, jak fagi radzą sobie z tą różnorodnością, tym lepiej jesteśmy przygotowani na kolejne inwazje – podsumował prof. Rafał Mostowy.

Nauka w obrazkach: Paweł Piechnik i komiksowa historia fagów

Historię fagów badacze postanowili opowiedzieć też w niecodzienny sposób, za pomocą komiksu – https://mostowylab.com/media/comic-pl.jpg.  Twórcą ilustracji jest Paweł Piechnik, ceniony polski rysownik, scenarzysta i ilustrator.

Piechnik to artysta o szerokim dorobku – jest autorem głośnych albumów historycznych, takich jak nagrodzony brązowym BohaterONem „Chleb wolnościowy” (oparty na relacjach więźniów Majdanka) czy seria „Sybir. Moja historia”. Jego warsztat obejmuje nie tylko komiks, ale również tworzenie murali, storyboardów do filmów animowanych (m.in. „Jeszcze dzień życia”) oraz grafik do gier komputerowych, w tym do tak znanych tytułów jak „Wiedźmin 3” czy „Division 2”. W 2012 roku zdobył on prestiżowe Grand Prix na Międzynarodowym Festiwalu Komiksu i Gier w Łodzi. Dzięki jego kresce skomplikowane procesy biotechnologiczne stały się czytelne i atrakcyjne wizualnie dla szerszego odbiorcy.

Źródło: Nauka w Polsce

Ewa Gładysz