هیچ موجود زنده ای روی زمین وجود ندارد که بدون تهدید زندگی کند – از جمله باکتری ها. ویروس های شکارچی معروف به فاژها از بدترین دشمنان آنها هستند که به سلول های آنها حمله می کنند تا تکثیر شوند و کنترل شوند. باکتری‌ها طیف وسیعی از استراتژی‌ها را برای مقابله با این عفونت‌ها ایجاد کرده‌اند، اما اینکه چگونه برای اولین بار یک مهاجم را در میان خود شناسایی می‌کنند مدت‌ها یک راز بوده است.
اکنون محققان آزمایشگاه باکتری شناسی دانشگاه راکفلر کشف کرده اند که باکتری ها فاژها را از طریق یک پاسخ دفاعی به نام CBASS که RNA ویروسی را شناسایی می کند، حس می کند – یافته هایی که روزی می تواند به مقابله با تهدید مقاومت آنتی بیوتیکی کمک کند. آنها نتایج را در طبیعت.
لوسیانو مارافینی، رئیس آزمایشگاه می‌گوید: «چگونه CBASS توسط عفونت فاژی فعال می‌شود، برای سال‌ها در زمینه ما ناشناخته بزرگی بوده است. “تا به حال، هیچ کس متوجه نشده است که چه چیزی باعث تحریک باکتری ها برای شروع پاسخ ایمنی CBASS می شود.”
بستگان در قلمروهای دور
برخی از عملکردهای ایمنی اساسی در حوزه‌های مرتبط با زندگی مشترک هستند، از یوکاریوت‌ها (ارگانیسم‌هایی با هسته متصل به غشاء) مانند پستانداران، گیاهان و قارچ‌ها تا پروکاریوت‌ها (آنهایی که چنین غشایی ندارند) مانند باکتری‌ها و باستانی‌ها. این پاسخ های ایمنی باید در اوایل وجود حیات تکامل یافته باشند.
یکی از ویژگی های حفظ شده مکانیسم سنجش ویروسی است که بر آنزیم تخصصی به نام سیکلاز متکی است. در حیوانات به آن cGAS (سینتاز حلقوی GMP-AMP) می گویند. در باکتری ها، سیکلازهای شبه cGAS اجزای مرکزی پاسخ ایمنی CBASS (سیستم سیگنال دهی آنتی فاژ مبتنی بر اولیگونوکلئوتید حلقوی) هستند. هر دو تنها در دهه گذشته کشف شدند.
دالتون بان، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی دکترا و دکترا در آزمایشگاه مارافینی، می‌گوید: تصور می‌شود سیکلازهای CBASS اجداد باستانی cGAS باشند.
اما تفاوت هایی وجود دارد. در یک حیوان آلوده، cGAS DNA ویروسی را در سیتوپلاسم، مایع ژلاتینی در سلولی که هسته را احاطه کرده است، حس می کند. در یک ارگانیسم غیر آلوده، DNA به هسته محدود می شود. وجود آن در جای دیگر نشان می دهد که چیزی اشتباه است.
با این حال، از آنجایی که باکتری ها هسته ندارند، باید رویکرد دیگری را در پیش بگیرند. بان می گوید، اگر CBASS فقط به حضور DNA پاسخ دهد، منجر به خودایمنی گسترده یا باکتری هایی می شود که به خود حمله می کنند.
او می‌گوید: «این معما بود. سیکلازهای CBASS بسیار شبیه به cGAS هستند، بنابراین باید چیزی را حس کنند. اما دقیقاً چه چیزی؟
RNA یاب
برای پی بردن به این موضوع، محققان و شرکای آنها در آزمایشگاه شان برادی برای مولکول های کوچک رمزگذاری شده ژنتیکی بر روی سیستم CBASS تمرکز کردند. استافیلوکوک شلیفرییک باکتری که معمولاً در دهان سگ ها، گربه ها و سایر حیوانات یافت می شود و به ندرت به انسان می پریده است.
Marraffini پیشگام مطالعه سیستم های دفاعی باکتریایی، در درجه اول CRISPR-Cas بود. همانطور که آزمایشگاه او متفاوت استفاده می کرد استافیلوکوک تنش در این کار در طول سال ها، تیم بسیار است استافیلوکوک فاژها با دست Banh همه آنها را برای توانایی آنها در خنثی شدن توسط CBASS آزمایش کرد. او مجموعه ای از فاژها را هدف قرار داد که توسط سیستم دفاعی شناسایی شده بودند. بان می گوید: «این ما را به این فرض سوق داد که این فاژهای حساس در طول عفونت چیزی تولید می کنند که باعث فعال شدن CBASS می شود.
بعد، نویسنده همکار کامرون رابرتز، Ph.D. دانش‌آموز در آزمایشگاه، مولکول‌های مختلف تولید شده توسط باکتری یا ویروس، از جمله DNA، RNA و پروتئین‌ها را با زحمت آزمایش کرد.
این آزمایش نشان داد که تنها RNA تولید شده در طول عفونت فاژ قادر به تحریک پاسخ ایمنی است. رابرتز می گوید: «این به وضوح RNA ویروسی بود که در طول عفونت ایجاد شد. بنابراین، CBASS به جای حس مکان‌یابی نادرست DNA، مانند cGAS، ساختار RNA خاصی را حس می‌کند. این ویژگی شگفت‌انگیز است.»
آنها مولکول cabRNA به شکل سنجاق موی تازه کشف شده (تلفظ “cab-RNA” یا جایگزین “cabernet”) را برای RNA فعال کننده CBASS باکتریوفاژ ابداع کردند. این مولکول به سطح سیکلاز متصل می شود و باعث تولید یک مولکول پیام رسان به نام cGAMP می شود که پاسخ ایمنی CBASS را فعال می کند.
مارافینی می گوید: «این یک آزمایش بسیار ساده و ظریف بود و کشف کلیدی را به ما داد.
در اینجا نیز تشابهاتی با نحوه عملکرد سیستم مشابه در انسان وجود دارد. با شناسایی DNA ویروسی، cGAS همچنین باعث تولید cGAMP می شود که سیستم ایمنی را وادار به تولید اینترفرون های نوع I می کند. این مسیر سیگنالینگ ضد ویروسی به عنوان cGAS-STING شناخته می شود.
فرصت های آینده
در تحقیقات آینده، رابرتز به تجزیه و تحلیل cabRNA برای ویژگی های آن ادامه خواهد داد. “دو سوال بزرگ این است که چگونه و چرا فاژ cabRNA تولید می کند – نقش آن چیست؟” او می گوید. جزئیات نحوه تعامل cabRNA با آنزیم CBASS نیز نامشخص است. بنابراین حل ساختار آنزیم هنگام اتصال به cabRNA یک شاهکار بزرگ خواهد بود.
فاژهایی که پاسخ CBASS ایجاد نمی کنند می توانند روزی در مبارزه با باکتری های مقاوم به ضد میکروبی مفید باشند. مارافینی می‌گوید: «در حال حاضر ما دانشی برای پیش‌بینی اینکه کدام فاژها دارای cabRNA هستند و کدام فاژها ندارند، نداریم، اما اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، می‌توانیم به طور بالقوه از این فاژها برای حمله به باکتری‌ها استفاده کنیم، زیرا آنها فهمیدند که چگونه این کار را انجام دهند. از آن مکانیسم حسگر بیرون بیایید.
