Bacteriile folosesc virusuri antice pentru a-și transfera genele
Deși virusurile sunt asociate de obicei cu boli precum variola, COVID-19 sau Ebola, cele mai numeroase și diverse virusuri din natură sunt cele care infectează bacteriile. Unele bacterii au reușit să transforme acești invadatori infecțioși în așa-numiți agenți de transfer genic (GTA), structuri care le ajută să facă schimb de material genetic între ele.
Acest mecanism reprezintă o formă de transfer orizontal de gene, permițând bacteriilor înrudite să partajeze informație genetică fără a o transmite strict urmașilor. Deoarece GTA pot ajuta bacteriile să dobândească trăsături noi și să răspândească gene asociate cu rezistența la antibiotice, studierea lor are aplicații importante în sănătate și biotehnologie.
Un studiu recent publicat în Nature Microbiology a identificat un grup de gene care determină bacteria să elibereze particule GTA capabile să răspândească gene de rezistență la antibiotice.
Originea virală a agenților de transfer genic
În anul 2000, cercetătorii au izolat gene GTA din bacteria Rhodobacter capsulatus și au analizat proteinele pe care aceste gene le determină celula să le producă. Proteinele s-au dovedit a fi foarte asemănătoare structural cu cele întâlnite la o clasă de virusuri cunoscute sub numele de fagi cu coadă. Aceasta a fost prima dovadă că un agent de transfer genic seamănă mai mult decât întâmplător cu un virus.
Studii ulterioare au arătat că și alți agenți de transfer genic provin din virusuri antice. De atunci, gene GTA au fost descoperite într-o mare varietate de bacterii, inclusiv în agenții infecțioși responsabili de febra zgârieturii de pisică și tifos, dar și în organisme marine abundente.
Cum funcționează transferul genetic
Un eșantion mic și aleatoriu de gene bacteriene este împachetat într-o structură proteică geometrică ce formează capul agentului de transfer genic, în timp ce alte proteine formează o coadă tubulară. După eliberarea din bacterie, proteinele flexibile care decorează GTA se leagă de suprafața unei celule țintă și o ancorează. Materialul genetic din capul GTA este apoi transferat prin coadă în celula țintă, cu ajutorul proteinelor bacteriene din membrana celulară. În interiorul celulei țintă, alte proteine leagă ADN-ul primit și îl inserează în genomul celulei.
Deoarece genele oferă planul pentru toate activitățile biologice ale celulei, acest proces poate permite bacteriei să dobândească trăsături noi, avantajoase.
Sacrificiul altruist al bacteriilor
Pentru a elibera agenții de transfer genic, celula originală explodează și moare. Majoritatea celulelor dintr-o populație supraviețuiesc, deoarece doar un subset mic de celule este lăsat să activeze genele necesare producerii agenților de transfer genic. Aceste celule acționează altruist, sacrificându-se pentru a răspândi material genetic și pentru a facilita noi combinații de gene care ar putea ajuta celulele țintă să se adapteze și să supraviețuiască într-un mediu în schimbare.
Există câteva condiții în care o bacterie producătoare de GTA consideră că merită să facă acest sacrificiu. Una este atunci când rămâne fără nutrienți, în special aminoacizi, necesari pentru a produce proteine. În acest caz, noi combinații de gene ar putea permite celulei să dobândească nutrienți anterior inaccesibili. O altă condiție este când celula detectează un semnal chimic emis de celulele vecine, alertând-o că există multe celule țintă înrudite în apropiere. În acest scenariu, celula recunoaște că propria moarte ar putea beneficia un număr mare de rude.
Rezistența la antibiotice și noi tratamente
Deși cercetătorii au făcut progrese mari în înțelegerea modului în care funcționează GTA, mai sunt multe de descoperit pentru a valorifica procesele de transfer orizontal de gene în aplicații practice. Prima demonstrație de laborator a unui GTA a fost la bacteria Rhodobacter capsulatus și a implicat transferul de material genetic ce permite bacteriilor să reziste la antibiotice. Oamenii de știință au descoperit de atunci numeroase situații în care GTA permit partajarea genelor de rezistență la antibiotice și analizează în detaliu acest proces, căutând strategii pentru a bloca acest schimb și a combate răspândirea rezistenței la antibiotice.
Moartea spontană a unei celule producătoare de GTA oferă, de asemenea, inspirație pentru noi modalități de a ucide bacteriile dăunătoare și de a trata potențial boli infecțioase. Pentru a exploata acest lucru, va fi nevoie să înțelegem cum populațiile de celule controlează care membri sunt capabili să producă GTA și, prin urmare, sunt destinati morții, și cum să creștem proporția acestor celule. Odată ce agenții de transfer genic vor fi pe deplin înțeleși, vor exista probabil multe alte aplicații potențiale ale acestor cunoștințe.
