Содержание
Вирусы и бактерии – великое противостояние
: 26 Окт 2016 , Бактериофаги: враги наших врагов , том 70,
№4
Создание современной технологии геномного редактирования, которая уже с успехом применяется на разных животных, растениях, грибах и бактериях, базируется на исследованиях бактериальных систем CRISPR-Cas. Изначально предполагалось, что они участвуют в ликвидации повреждений бактериальной ДНК, но в 2007 г. стало ясно, что истинное предназначение этих систем – борьба с вирусами бактерий, бактериофагами. Всего за девять лет наука проделала гигантский путь от раскрытия механизма бактериального иммунитета до редактирования геномов людей – в настоящее время уже проводятся первые эксперименты по редактированию ДНК человеческих эмбрионов. У бактерий имеются и другие «иммунные» механизмы, изучение которых, возможно, создаст предпосылки для новых прорывов в биомедицине
Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий.
В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.
Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al., 1994).
Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции.
Параллельно были изучены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al., 1993).
Кто защищен – тот вооружен
На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.
В ходе эволюции происходила и сейчас происходит селекция бактерий, способных избежать гибели при инфицировании вирусами, что, в свою очередь, служит стимулом для бактериофагов совершенствовать свои агрессивные стратегии. Эта «гонка вооружений», длящаяся несколько миллиардов лет, т. е. ровно столько, сколько существуют сами бактерии и их враги, породила целый ряд изощренных механизмов защиты и нападения
Вирусная атака начинается с прикрепления фага к специфическому рецептору на поверхности бактериальной клетки, но при потере рецептора или изменении в его структуре связывания вируса не происходит.
Бактерии могут менять рецепторы в зависимости от окружающих условий, таких как плотность и разнообразие микроорганизмов в среде, а также доступность питательных веществ (Bikard et al., 2012). Любопытный пример — бактерии вида Vibrio anguillarum, которые способны формировать биопленку, т. е. плотный слой клеток, прикрепленный к какой-либо поверхности. У этой бактерии имеется своего рода «чувство кворума», за счет чего при увеличении плотности клеток у них понижается выработка рецептора, с которым может связываться вирус. В результате биопленка становится почти полностью устойчивой к заражению (Tan et al., 2015).
Однако потеря рецепторов не всегда выгодна для бактерии, поскольку они выполняют разнообразные важные функции, например, транспорт питательных веществ или формирование межклеточных контактов (Lopez-Pascua et al., 2008). В результате для каждой пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции находится оптимальное решение, обеспечивающее приемлемый уровень защиты при сохранении возможности роста бактерий в различных условиях среды.
Следующий защитный механизм – исключение суперинфекции. Для бактериофагов известны два основных пути инфекции: литический, приводящий к быстрой гибели зараженной бактерии с высвобождением вирусного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда наследственный материал вируса находится внутри генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК, не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится в состоянии лизогенной инфекции, то, с точки зрения «домашнего» вируса (профага), ее заражение другим вирусом нежелательно.
Действительно, многие вирусы, встроившие свою ДНК в геном клетки, ограничивают вновь проникшего в клетку бактериофага («суперинфекцию») посредством специальных белков-репрессоров, не позволяющих генам «пришельца» работать (Calendar, 2006). А некоторые фаги даже препятствуют другим вирусным частицам проникнуть в инфицированную ими клетку, воздействуя на ее рецепторы. В результате бактерии – носительницы вируса имеют очевидное преимущество по сравнению с незараженными собратьями.
В 1978 г. за открытие ферментов рестриктаз швейцарский генетик В. Арбер и американские микробиологи Д. Натанс и Г. Смит были удостоены Нобелевской премии. Изучение систем рестрикции-модификации привело к созданию технологии молекулярного клонирования, которая широко применяется во всем мире. С помощью рестриктаз можно «вырезать» гены из генома одного организма и вставить в геном другого, получив химерную рекомбинантную ДНК, не существующую в природе. Различные вариации этого подхода используются учеными для изолирования отдельных генов и их дальнейшего изучения. Кроме того, он широко применяется в фармацевтике, например, для наработки инсулина или терапевтических антител: все лекарства такого рода созданы с помощью молекулярного клонирования, т. е. являются продуктом генной модификации
Во время инфекции все ресурсы бактериальной клетки направлены на производство новых вирусных частиц. Если рядом с такой клеткой будут находиться другие уязвимые бактерии, то инфекция быстро распространится и приведет к гибели большинства из них.
Однако для таких случаев у бактерии имеются так называемые системы абортивной инфекции, которые приводят ее к запрограммированной гибели. Конечно, этот «альтруистичный» механизм не спасет саму зараженную клетку, но остановит распространение вирусной инфекции, что выгодно для всей популяции. Бактериальные системы абортивной инфекции очень разнообразны, но детали их функционирования пока изучены недостаточно.
К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации, в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу. Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4—6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.
В ДНК бактерии, содержащей такую систему, все сайты модифицированы.
И если бактерия заражается вирусом, ДНК которого не содержит подобной модификации, рестриктаза защитит от инфекции, разрушив вирусную ДНК. Многие вирусы «борются» с системами рестрикции-модификации, не используя в своих геномах последовательности, узнаваемые рестриктазой, – очевидно, что вирусные варианты с другой стратегией просто не оставили потомства.
Последней и в настоящее время самой интересной системой бактериального иммунитета является система CRISPR-Cas, с помощью которой бактерии способны «записывать» в собственный геном и передавать потомству информацию о фагах, с которыми они сталкивались в течение жизни. Наличие таких «воспоминаний» позволяет распознавать ДНК фага и эффективней противостоять ему при повторных инфекциях. В настоящее время к системам CRISPR-Cas приковано пристальное внимание, так как они стали основой революционной технологии редактирования геномов, которая в будущем, возможно, позволит лечить генетические заболевания и создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений.
Врага нужно знать в лицо
Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25—40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al., 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а сам процесс приобретения спейсеров – адаптацией.
Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией. Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер.
Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс, который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012).
Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строении и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al., 2015; Shmakov et al., 2015).
Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli).
Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.
В системах II типа эффекторный комплекс образован единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Именно простота и относительная компактность таких систем послужили основой для разработки технологии редактирования ДНК. Согласно этому методу, в клетки эукариот (например, человека) доставляют бактериальный белок Сas9 и крРНК, которую называют гидовой (гРНК). Вместо спейсера вирусного происхождения такая гРНК содержит целевую последовательность, соответствующую интересному для исследователя участку генома, например, где есть мутация, вызывающая какую-то болезнь. Получить же гРНК «на любой вкус» совсем несложно.
Эффекторный комплекс Cas9-гРНК вносит двуцепочечный разрыв в последовательность ДНК, точно соответствующую «гидовой» РНК.
Если вместе с Cas9 и гРНК внести в клетку и последовательность ДНК, не содержащую мутацию, то место разрыва будет восстановлено по матрице «правильной» копии! Таким образом, используя разные гРНК, можно исправлять нежелательные мутации или вводить направленные изменения в гены-мишени. Высокая точность программируемого узнавания мишеней комплексом Cas9-гРНК и простота метода привели к лавинообразному росту работ по редактированию геномов клеток животных и растений (Jiang & Marraffini, 2015).
Гонка вооружений
В ходе эволюции бактерии и бактериофаги выработали ряд приспособлений, которые должны обеспечить каждому из участников «гонки вооружений» преимущество в борьбе с противником или возможность уклониться от его атаки.
Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направленные изменения в геноме бактерий, которые наследуются и дают бактериям явное преимущество, спасая от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas можно считать примером ламарковской эволюции, при которой происходит наследование благоприобретенных признаков (Koonin et al.
, 2009)
Что касается систем CRISPR-Cas, то если фаг обзаведется мутацией в протоспейсере, эффективность его узнавания эффекторным комплексом снижается, и фаг получает возможность заразить клетку. Но и бактерия не оставит без внимания такую попытку ускользнуть от CRISPR-Cas: в качестве ответной реакции она начинает с резко возросшей эффективностью приобретать новые дополнительные спейсеры из ДНК уже «знакомого» фага, пусть и мутировавшего. Такое явление, названное праймированной адаптацией, многократно повышает эффективность защитного действия систем CRISPR-Cas (Datsenko et al., 2012).
Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции (Bondy-Denomy et al., 2015). Еще одно ухищрение — обмен участков генома вируса, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности (Paez-Espino et al.
, 2015).
Результаты работ нашей лаборатории свидетельствуют, что зараженные клетки на самом деле погибают даже при наличии защиты CRISPR-Cas, но при этом они ограничивают численность вирусного потомства. Поэтому CRISPR-Cas правильнее относить к системам абортивной инфекции, а не к «настоящим» иммунным системам.
Благодаря постоянному совершенствованию биоинформатических алгоритмов поиска, а также включению в анализ все большего количества прокариотических геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем является делом недалекого будущего. Предстоит также выяснить и детальные механизмы работы многих недавно открытых систем. Так, в статье, опубликованной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, образующий эффекторный комплекс с крРНК, который нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh et al., 2016). В будущем такое необычное свойство может быть использовано в медицине для регулирования активности генов путем изменения количества кодируемых ими РНК.
Изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность и отвлеченность от задач практической медицины, принесло неоценимую пользу человечеству. Примерами этого могут служить методы молекулярного клонирования и редактирования геномов – направленного внесения или удаления мутаций и изменения уровня транскрипции определенных генов.
Благодаря быстрому развитию методов молекулярной биологии всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем CRISPR-Cas была создана работающая технология геномного редактирования, способная бороться с болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми. Доступность и простота этой технологии позволяют рассматривать ее как основу для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и биотехнологий будущего, которые будут базироваться на направленных и безопасных генных модификациях.
Нет никаких сомнений, что дальнейшее изучение взаимодействия бактерий и их вирусов может открыть перед нами такие возможности, о которых мы сейчас даже не подозреваем.
Литература
Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353: aaf5573.
Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.
Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol. 2012. V. 1 P. 15–20.
Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.
Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press. 2006.
Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR/Cas adaptive bacterial immunity system // Nat.
Commun. 2012. V. 3. P. 945
Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.
Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.
Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct. 2009. V. 4. P. 42.
Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.
Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.
Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have emerged recently in the dairy industry // Appl.
Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.
Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46. P. 167–178.
Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.
Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014. V. 21. P. 528–534.
Nuñez J. K., Lee A. S., Engelman A., Doudna J. A. Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015b. V. 519. P. 193–198.
Paez-Espino D., Sharon I., et al. CRISPR Immunity Drives Rapid Phage Genome Evolution in Streptococcus thermophilus // MBio. 2015. V. 6: e00262–15.
Shmakov S.
, Abudayyeh O. O., Makarova K. S., et al. Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems. // Mol. Cell. 2015. V. 60. P. 385–397
Tan D., Svenningsen S. L., Middelboe M. Quorum sensing determines the choice of antiphage defense strategy in Vibrio anguillarum. // mBio 2015. V. 6: e00627–15.
Westra E. R., van Erp P. B., Künne T., et al. CRISPR immunity relies on the consecutive binding and degradation of negatively supercoiled invader DNA by Cascade and Cas3 // Mol. Cell. 2012. V. 46. P. 595–605.
Работа поддержана грантом РФФИ (№ 16-34-01176)
: 26 Окт 2016 , Бактериофаги: враги наших врагов , том 70,
№4
Вирусы-химеры привели к созданию бионанороботов
https://ria.ru/20181006/1530045642.html
Вирусы-химеры привели к созданию бионанороботов
Вирусы-химеры привели к созданию бионанороботов — РИА Новости, 06.
10.2018
Вирусы-химеры привели к созданию бионанороботов
В 1985 году американский биолог Джордж Смит предложил идею фагового дисплея — быстрого поиска веществ, которые могут стать основой лекарства, — и доказал ее… РИА Новости, 06.10.2018
2018-10-06T08:00
2018-10-06T08:00
2018-10-06T22:23
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/150590/75/1505907548_0:1094:5000:3907_1920x0_80_0_0_9ca0e92ba5b6aa31752e545a7311d130.jpg
сша
новосибирская область
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2018
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.
ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/150590/75/1505907548_0:625:5000:4375_1920x0_80_0_0_6bda60794dd5b4e5afcb3f943be0efc8.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
нобелевская неделя-2018, сша, новосибирская область, государственный научный центр вирусологии и биотехнологий «вектор», нобелевская премия по химии
Наука, Нобелевская неделя-2018, США, Новосибирская область, Государственный научный центр вирусологии и биотехнологий «Вектор», Нобелевская премия по химии
МОСКВА, 6 окт — РИА Новости, Татьяна Пичугина.
В 1985 году американский биолог Джордж Смит предложил идею фагового дисплея — быстрого поиска веществ, которые могут стать основой лекарства, — и доказал ее работоспособность. Его идея превратилась не просто в биоинженерный метод, а в концепцию, заменившую во многих случаях метод проб и ошибок. В этом году ученому присуждена Нобелевская премия по химии. Об истории открытия РИА Новости рассказал Валерий Петренко, профессор Обернского университета (США), соавтор Смита.
3 октября 2018, 15:18
Ученый рассказал, за что дали Нобелевскую премию по химии
Опыты с бактериофагом
В середине 1970-х появились технологии генной инженерии, которые позволили вставлять в геном чужеродные гены, чтобы смотреть, какие белки при этом вырабатываются. Наиболее удобным объектом для работы служили вирусы. По сути, это куски РНК или ДНК, которые размножаются только внутри живой клетки. В оболочку вируса можно вставить измененное или даже чужое ДНК, потом заразить им колонию бактерий и таким образом размножить.
Паразитирующие на бактериях вирусы называются бактериофагами.
«В 1980-х я работал в ГНЦ «Вектор» в Новосибирской области. Бактериофаги интересовали меня в качестве источника иммуногенов — веществ, которые вызывают ответ иммунной системы. Перед нами стояла задача создать диагностику и вакцину от ВИЧ и других вирусов», — рассказывает Валерий Петренко.
В «Векторе» располагалась прекрасно оборудованная лаборатория, в которой работал молодой коллектив талантливых аспирантов и сотрудников. Они занимались синтезом олигонуклеотидов — небольших участков ДНК или РНК, направленным мутагенезом, расшифровкой генома, осваивали новые методы генной инженерии.
Петренко раздобыл статью Джорджа Смита 1985 года, где излагались результаты работы с нитчатым бактериофагом. Внешне он похож на волокно, покрытое белковой оболочкой. В работе Смита описывалась идея, как путем генной инженерии сделать вирус-химеру, который бы вырабатывал на оболочке чужеродный белок. Для этого в участок ДНК фага, кодирующий оболочечный белок, вставляли чужой (или случайный) ген.
В результате оба белка — свой и чужой — сливались вместе и проявлялись на поверхности как некий гибридный белок (точнее пептид, поскольку его молекула очень короткая). Такой пептид легко исследовать, например, изучать его сродство с различными молекулами. Бактериофаг с проглядывающими на оболочке пептидами называют фаговым дисплеем.
CC BY 4.0 / Valery A. Petrenko / Нитчатый бактериофаг (слева), покрытая пептидом оболочка фага (справа)
CC BY 4.0 / Valery A. Petrenko /
Петренко решил усовершенствовать метод Смита и взял образец нитчатого бактериофага в соседнем институте. В лаборатории выяснилось, что микроб в пробирке высох. Оживить его не удалось — только выделить ДНК. Этого было достаточно, чтобы методом трансфекции (вставки чужого гена в геном бактерии) клонировать вирус.
«Когда я на ученом совете заявил тему для аспирантки Ольги Миненковой «Получение белка на оболочке фага для создания новых структур», мне не хотели верить. Но Ольга — феноменальный специалист, и работа была выполнена.
Я назову всех, кто участвовал: Александр Ильичев, Григорий Кищенко, Сергей Татьков, Николай Карпышев, Алексей Ерошкин, Вячеслав Офицеров, Зоя Акименко, Владимир Каргинов, Алла Корепанова и другие сотрудники института. Директор «Вектора» Лев Степанович Сандахчеев сразу понял наши идеи и поддержал. Я хочу его роль особо отметить. Благодаря ему мы имели возможность заниматься этим направлением», — продолжает Валерий Александрович.
Метод Смита позволял на оболочке вируса «вырастить» всего несколько нитей чужого пептида. Группа Петренко добилась того, что бактериофаг оказался полностью «переодет» в чужеродную белковую оболочку. Это означало, что на вирусе можно вырастить практически любой материал.
© Фото : В.А.ПетренкоПервопроходцы ландшафтного фагового дисплея в России. ГНЦ «Вектор», Новосибирск, 1991 год
© Фото : В.А.Петренко
Нанотехнологический прорыв
Петренко с коллегами опубликовали несколько статей по итогам экспериментов, в том числе в 1993 году в журнале Gene.
Последовали доклады на конференциях и приглашения в лучшие зарубежные университеты.
Валерий Петренко занял должность сначала приглашенного профессора, а затем профессора-исследователя в Миссурийском университете (США). Там в лаборатории первооткрывателя метода Джорджа Смита он работал семь лет.
«Это удивительный человек. Настоящий ученый с колоссальным воображением. Я не встречал, кто бы так вдохновенно относился к науке. Когда я узнал о присуждении ему Нобелевской премии, я был счастлив и горд, что имел возможность работать с ним, учиться у него», — характеризует Смита Петренко.
Джордж Смит занимался иммунологией — изучением работы защитных сил организма. Когда в кровь или слизистые попадает чужеродный микроб или частицы, организм распознает их как врагов и начинает бороться путем выбрасывания в кровь антител — особых белков-киллеров.
7 мая 2018, 08:00
Прирожденные убийцы: почему бактерии выигрывают в борьбе с антибиотиками
Антитело распознает врага и начинает противодействовать ему тем или иным способом.
Многие лекарства представляют собой человеческие, чужеродные или искусственные антитела, которые помогают иммунитету бороться с заболеванием. На поиски нужной молекулы методом проб и ошибок уходит много времени. Но Смит показал, что поиск можно значительно ускорить, если создавать библиотеки фаговых ДНК. Для этого он синтезировал миллиарды случайных фрагментов вирусных ДНК, каждый из которых нес информацию об одном пептиде. С помощью бактерий клонировал многомиллиардную популяцию фагов, несущих на оболочках совершенно разные, случайные пептиды.
Получившуюся фаговую библиотеку добавляют, например, в чашку Петри, где находится раствор изучаемых молекул. Через какое-то время образец промывают и смотрят, какие фаги «прицепились» пептидами к молекулам.
Чтобы узнать ген, отвечающий за этот пептид, нужно секвенировать геном фага, что легко сделать на современном оборудовании. Фактически ученый задает вопрос «для чего годится эта молекула?» и находит в библиотеке ответ.
«Смит рассылал свои библиотеки коллегам совершенно бескорыстно, чтобы люди опробовали метод.
В этом колоссальная его заслуга, он действовал как проповедник нового метода. Потом уже появились компании, которые занялись их коммерческим производством. А Смит предложил парадигму — новый способ мышления», — говорит Петренко.
В его совместной с Джорджем Смитом книге изложена эволюция метода фаговых дисплеев, который нашел множество применений и ускорил наступление эры нанобиотехнологии.
Сейчас Валерий Петренко занимается созданием антираковых препаратов нового поколения.
«Мы называем это «беспилотными» препаратами направленного действия, или smart-machines. Они представляют собой частицы — носители лекарства. Их вводят в кровь, и специальные белки помогают им достичь раковой опухоли. Это уже наномедицина», — заключает ученый.
© Фото : В.А.Петренко»Русское ядро» лаборатории Джорджа Смита в Миссурийском университете, 1993-2000
© Фото : В.А.Петренко
Что такое бактериофаги?
- Скачать PDF Копировать
Доктор Кэтрин Шаффер, доктор философии.
Рецензировано доктором медицины Лиджи Томасом
Бактериофаги — это небольшие вирусоподобные организмы, которые заражают бактерии. Они состоят из белковой капсулы вокруг генома РНК или ДНК.
Иллюстрация вируса бактериофага. Изображение предоставлено: nobeastsofierce / Shutterstock
Структура бактериофага может включать различные функции для заражения клетки-хозяина. Многие бактериофаги имеют центральный стержень и ножкообразные придатки. Ноги прикрепляются к бактериям, и генетический материал вводится через стержень в цитоплазму клетки-хозяина, где он реплицируется и собирается в потомство.
Жизненный цикл бактериофага может быть литическим или лизогенным. Литические фаги, такие как Т4, лизируют клетку-хозяина после репликации вириона. Затем потомство фага высвобождается для поиска новых хозяев.
Лизогенные фаги не сразу лизируют клетку-хозяина. Эти фаги известны как умеренные фаги. Геном бактериофага интегрируется с геномом хозяина и реплицируется с ним, не разрушая клетку.
Когда условия для клетки-хозяина ухудшаются, например, при недостатке питательных веществ, фаги инициируют репродуктивный цикл, что приводит к лизису.
Бактериопаг Литический цикл
Жизненный цикл бактериофага
Жизненный цикл бактериофага состоит из нескольких этапов:
- крепление и проникновение
- синтез белков и нуклеиновых кислот
- сборка вириона
- выпуск вирионов
Прикрепление и проникновение: Бактериофаги прикрепляются к рецепторам на внешней поверхности бактерий. К ним относятся липополисахариды, тейхоевые кислоты, белки или жгутики. Многие бактериофаги используют механизм, похожий на шприц для подкожных инъекций, для введения генетического материала в клетку через хвостообразную структуру.
Синтез белков и нуклеиновых кислот: Бактериальные рибосомы переводят мРНК вируса в белок. Если бактериофаг имеет РНК-геном, РНК-репликаза синтезируется в начале этого процесса.
РНК-полимераза хозяина привлекается для предпочтительной транскрипции вирусной мРНК, прерывая нормальный синтез белков хозяина. Белки собираются в новые вирионы.
Сборка вириона: Вспомогательные белки часто используются для сборки вирусных частиц. Они собраны по частям: базовые пластины, хвосты и головные капсиды с ДНК, упакованной внутри.
Высвобождение вириона: Вновь собранные бактериофаги высвобождаются путем лизиса, экструзии или почкования.
Бактериофаговая терапия
Будучи естественными хищниками бактерий, бактериофаги долгое время рассматривались как потенциальные терапевтические агенты. Есть много сообщений об использовании фаготерапии у людей. В исследовании 550 пациентов с бактериальной септицемией фаги вводили перорально, местно или в глаза, уши или нос. Показатели успеха лечения варьировались от 75 до 100 процентов. Эффективность была еще выше среди пациентов, не ответивших на антибактериальную терапию.
Фаги также эффективны при:
- цереброспинальном менингите у новорожденных кожных инфекциях, вызванных Pseudomonas , Staphylococcus , Klebsiella , E.
- рецидивирующие поддиафрагмальные и подпеченочные абсцессы
- хронические бактериальные болезни
Также было обнаружено, что фаготерапия нормализует уровни фактора некроза опухоли альфа (TNF-α) в сыворотке.
Безопасность терапии бактериофагами
Бактериофаги кажутся в значительной степени безвредными при клиническом использовании. В США фаг phi X174 используется для мониторинга гуморальной иммунной функции у пациентов с дефицитом аденозиндезаминазы и для изучения иммунного ответа человека. Фаги очень распространены в окружающей среде и пищевых продуктах и связаны с болезнями или травмами. Соображения безопасности терапевтических агентов заключаются в том, что они не должны запускать генерализованную трансдукцию или иметь генные последовательности со значительной гомологией с известными основными генами устойчивости к антибиотикам, кодируемыми фагами генами токсинов и генами бактериальных факторов вирулентности.
Источники
- Результаты лечения бактериофагами гнойных бактериальных инфекций в 1981-1986 гг., https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3455647/
- Эффективная фаготерапия связана с нормализацией продукции цитокинов культурами клеток крови, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10722229/
- Бактериофаговая терапия, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC90351/
Дополнительная литература
- Все содержимое бактериофагов
- Фаговый дисплей объясняет
- Фаговый дисплей: применение в исследованиях
- Бактериофаги умеренного пояса и лизогенный цикл
Последнее обновление: 26 февраля 2019 г.
- Скачать PDF Копировать
Используйте один из следующих форматов для ссылки на эту статью в своем эссе, статье или отчете:
APA
Шаффер, Кэтрин. (2019, 26 февраля). Что такое Бактериофаги?. Новости-Мед.
Получено 20 декабря 2022 г. с https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Bacteriophages.aspx.MLA
Шаффер, Кэтрин. «Что такое Бактериофаги?». Новости-Медицина . 20 декабря 2022 г.
Чикаго
Шаффер, Кэтрин. «Что такое Бактериофаги?». Новости-Мед. https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Bacteriophages.aspx. (по состоянию на 20 декабря 2022 г.).
Гарвард
Шаффер, Кэтрин. 2019. Что такое бактериофаги? . News-Medical, просмотрено 20 декабря 2022 г., https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Bacteriophages.aspx.
Получено 20 декабря 2022 г. с https://www.news-medical.net/life-sciences/What-are-Bacteriophages.aspx.Предлагаемая литература
Bacterial Viruses — Science Fest
Сделайте бумажную модель вируса, вызывающего заболевание у бактерий. Узнайте о различиях между бактериями и вирусами и возможностях использования вирусов для лечения болезней.
Засчитывается для получения значков Micro Hero и Crafty Scientist.
КатегорияБиология Подходит для начальной средней школы
Вирусы, вызывающие заболевания бактерий
Знаете ли вы, что все живые существа на земле могут быть заражены вирусами?
Covid-19 вызывается вирусом, который в настоящее время поражает людей. В мире много вирусов, и они заражают все живое: животных, растения, грибы и даже микроорганизмы, такие как бактерии.
В чем разница между бактериями и вирусами?
Все живые существа состоят из клеток. Как и все животные и растения, каждый человек состоит из множества клеток. Однако большинство живых существ на Земле имеют микроскопические размеры, и каждый человек состоит из одной клетки. Самая многочисленная группа одноклеточных организмов называется бактериями. Каждая бактериальная клетка содержит генетический материал (ДНК) с инструкциями по созданию клетки и сохранению ее жизни. Однако ДНК не может сделать ничего из этого сама по себе.
Множество небольших молекулярных машин в клетке выполняют инструкции, которые появляются в ДНК, позволяя клетке питаться, двигаться, расти и размножаться, чтобы производить больше бактериальных клеток.
Вирусы также имеют генетическую информацию для создания новых вирусов, закодированную либо в ДНК, либо в аналогичной молекуле, называемой РНК. Однако вирусы не являются клеткой и не состоят из клеток. Вместо этого, когда организм-хозяин активно не заражается, вирусный генетический материал упаковывается в небольшой белковый контейнер, называемый капсидом. У вирусов также нет собственных машин для выполнения генетических инструкций. Вместо этого они вторгаются и захватывают клетку-хозяина и используют ее ресурсы и механизмы для создания новых вирусов.
Каждый вирус специализируется на вторжении и эксплуатации одного или нескольких типов хозяев, и большинство вирусов в мире используют в качестве хозяев бактериальные клетки. Вирусы, поражающие бактерии, известны как бактериофаги или просто фаги.
Бактериофаги не могут заразить ни нас, ни любые другие многоклеточные организмы.
Бактериофаговая инфекция часто приводит к летальному исходу для бактериальной клетки-хозяина, которую он заражает. Зараженная бактериальная клетка разрывается, высвобождая новообразованные вирусные частицы. Поскольку бактериофаги нацеливаются и убивают только одноклеточные бактерии, бактериофаги можно использовать у людей или других многоклеточных организмов для борьбы с заболеваниями, вызванными бактериями. Это известно как фаготерапия. В июне 2018 года Калифорнийский университет в Сан-Диего открыл первый в Северной Америке центр фаговой терапии IPATH (Центр инновационных фаговых приложений и терапии).
Фаги имеют очень геометрическую форму и больше похожи на геометрические фигуры, чем на живых существ. Обычно они состоят из капсида, содержащего генетическую молекулу вируса, и хвостообразной структуры, с помощью которой фаг прикрепляется к клетке-хозяину и доставляет свой генетический материал.