Nature: Ученые открыли новый способ борьбы вирусов с бактериями

Микроскопическое открытие не только позволит ученым лучше понять окружающий нас микробный мир, но и может дать новый способ управления биотехнологиями CRISPR-Cas.

Международная группа исследователей под руководством профессора Питера Финерана из Университета Отаго и доктора Рафаэля Пинилла-Редондо из Университета Копенгагена опубликовала в престижном журнале Nature исследование, в котором раскрывается новый способ подавления вирусами CRISPR-Cas иммунных систем бактерий.

Соавтор исследования д-р Дэвид Майо-Муньос (David Mayo-Muñoz) из лаборатории Phage-host interactions (Phi) факультета микробиологии и иммунологии Отаго говорит, что это открытие может рассказать нам о динамике развития микроорганизмов в окружающей среде, использоваться для повышения безопасности редактирования генов и привести к созданию более эффективных альтернатив антибиотикам.

Это открытие очень интересно для научного сообщества, поскольку позволяет лучше понять, как можно остановить защиту CRISPR-Cas, — говорит он.

CRISPR-Cas — это иммунная система бактерий, которая защищает их от заражения бактериальными вирусами — так называемыми фагами. Она работает путем захвата фрагментов ДНК фага и добавления их в геном бактерии. В итоге бактерия получает банк данных о прошлых фаговых инфекциях, которые она хранит в памяти, как фотороботы, и использует их для идентификации и уничтожения конкретного фага при его повторном нападении.

При появлении вируса часть его ДНК добавляется в банк памяти и в процессе превращается из ДНК в РНК. Каждая РНК действует как направляющая, чтобы система CRISPR-Cas могла правильно идентифицировать и уничтожить вторгшийся фаг. Каждое добавление в банк памяти разделено последовательностью повторов CRISPR, которые укладываются между каждой последовательностью фага, как книжки.

Интересно то, что фаги придумали различные способы преодоления этих защитных систем — это похоже на эволюционную гонку вооружений. У бактерий есть CRISPR-Cas, поэтому фаги разработали анти-CRISPR, что позволяет им блокировать иммунные комплексы бактерий.

Мы обнаружили совершенно новый способ, с помощью которого фаги могут останавливать работу систем CRISPR-Cas, — говорит д-р Майо-Муньос.

Предыдущие исследователи показали, что некоторые фаги имеют в своем геноме повторяющиеся последовательности CRISPR, а в нынешнем исследовании команда из Отаго и Копенгагена продемонстрировала, что фаги загружают бактерии этими РНК-повторами, чтобы остановить работу CRISPR-Cas.

Профессор Финеран, руководитель лаборатории Phi в Отаго, говорит, что эти РНК-антиCRISPR ослепляют иммунные комплексы бактерий.

Фаги имеют в своих геномах компоненты бактериальных CRISPR-Cas систем. Они используют их в качестве молекулярных имитаторов, чтобы заглушить иммунную систему бактерий и позволить фагу реплицироваться, — говорит он.

Группа также обнаружила, что когда фаг загружает РНК-повторы на белки CRISPR-Cas, не все нужные белки загружаются, образуя нефункциональный комплекс.

Этот молекулярный имитатор разрушает защиту бактерий и функционирование системы; по сути, это приманка.

Основной интерес к CRISPR-Cas заключается в ее программируемости для точного редактирования геномов — за эту технологию недавно была присуждена Нобелевская премия по химии. Интересно, что анти-CRISPR можно использовать в качестве предохранителя для отключения или настройки этой технологии.

Чтобы использовать потенциал технологий CRISPR-Cas, важно уметь управлять ими, включать и выключать, настраивать их, повышая точность и терапевтическую эффективность».

Наше открытие — первое свидетельство существования РНК-антиCRISPR, которые имеют более короткую генетическую последовательность, чем ранее обнаруженные белковые антиCRISPR, а поскольку они основаны на известных последовательностях повторов CRISPR, у нас есть возможность конструировать РНК-антиCRISPR для всех систем CRISPR-Cas и их конкретных применений, — говорит д-р Майо-Муньос.

В конечном итоге CRISPR-Cas будет использоваться для генной терапии — исправления мутировавших генов, вызывающих заболевания, — но для того, чтобы сделать ее более безопасной, необходимы антиCRISPR, которые будут модулировать эту технологию».

Фаги также могут использоваться в качестве антимикробных препаратов для уничтожения болезнетворных бактерий, являясь альтернативой антибиотикам, но если инфицированная бактерия имеет активную систему CRISPR-Cas, то для ее нейтрализации потребуются фаги с соответствующими анти-CRISPR.

Возможность создания анти-CRISPR на заказ станет мощным инструментом в арсенале фагов, — заключает профессор Финеран.

Мы очень рады, что сможем по-новому взглянуть на то, как фаги сражаются со своими бактериальными хозяевами. Мы надеемся, что эти РНК-антиCRISPR обеспечат новый подход к управлению технологиями CRISPR-Cas.

18.10.2023