Bakterier er under konstant angreb fra bakteriespecifikke vira, der forsøger at overtage bakterierne indefra og få dem til at producere flere vira. Nu viser et nyt studie, hvordan bakterier har udviklet et sindrigt forsvarssystem til at nedbryde vira, i det øjeblik de trænger ind i cellen.
Livet som bakterie er alt andet end let.
I den mikroskopiske verden, hvor bakterier lever deres liv, er de ikke alene, og de er heller ikke sikre.
Bakterier bliver nemlig konstant angrebet af bakterielle vira, de såkaldte bakteriofager, som forsøger at trænge ind i bakterierne og overtage styringen af dem indefra.
Heldigvis er bakterierne udstyret med forskellige forsvarsmekanismer, en slags bakterielle immunforsvar, der holder bakteriofagerne stangen.
En af disse forsvarsmekanismer hedder Zorya, opkaldt efter en slavisk gudinde, og netop det forsvarssystem har forskere fået kortlagt ned i mindste detalje, så de kan se, hvad bakterierne gør for ikke at ende op som ofre for truslen fra bakteriofagerne.
Opdagelsen kan samtidig være interessant for andre end bakterierne.
”En bedre indsigt i bakteriers forsvarssystemer kan give os en bedre forståelse af for eksempel, hvordan vi kan beskytte bakterier i sammenhænge, hvor bakterier har en interessant applikation, for eksempel i produktionen af industrielt interessante molekyler. Opdagelsen kan måske også få betydning inden for områder, som vi endnu ikke kan tænke os til,” forklarer en af forskerne bag studiet, lektor og gruppeleder Nicholas Taylor fra Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research ved Københavns Universitet.
Forskningen er publiceret i Nature.
Omfattende studie i mikroskala
Bakterier har flere forskellige systemer til at beskytte sig selv mod bakteriofager.
Det nok mest nyttig er CRISPR-Cas, der kommercielt er udviklet til verdens mest benyttede molekylære værktøj til at klippe i DNA.
CRISPR-Cas bliver i dag benyttet dagligt i tusindvis af laboratorier verden over.
Zorya er et andet forsvarssystem, men det har forskere ikke før nu haft lige så god en forståelse af.
Det var det, som det nye studie ville råde bod på, og til formålet hev forskerne et arsenal af forskellige metoder til at studere proteiner i celler op fra skuffen.
Det drejede sig blandt andet om cryo-elektronmikroskopi til at fryse proteiner fast og nærstudere deres struktur i meget høj opløsning, mutagenese (ændringer i de bagvedliggende gener for dannelsen af Zorya), fluorosensmikroskopi til bedre at studere strukturer inde i celler og funktionelle studier, hvor forskerne undersøgte samspillet mellem forskellige dele af det molekylære forsvarssystem.
Zorya består af fire proteiner
Først og fremmest identificerede forskerne, at Zorya består af fire forskellige proteiner, ZorA, ZorB, ZorC og ZorD.
ZorA og ZorB har samme struktur som tidligere identificerede motorproteiner, MotA og MotB, der driver en flagel: en lang hale drevet af en molekylær motor, som hjælper bakterier med at bevæge sig,.
Denne opdagelse indikerede, at ZorA og ZorB formentlig også danner en molekylær motor, hvilket forskerne kunne bekræfte i studiet.
ZorA og ZorB danner dog ikke en motor, som driver en ekstern flagel, men i stedet en lang hale, der går ind i cellens cytoplasma.
Forskerne indsatte generne for alle dele af Zorya-systemet i en bakterie, der ikke havde dette forsvarssystem, og det tillod dem at studere, hvad der sker, når Zorya bliver aktiveret i forsvaret mod bakteriofager.
Her så forskerne, at når en bakteriofag bryder celleoverfladen på samme måde, som når en myg stikker ned gennem huden, bliver Zorya aktiveret.
Aktiveringen svarer til, at et missilsystem bliver aktiveret, når et fremmed missil flyver ind i et luftrum.
Først og fremmest sker der det, at ZorA i nærheden af indtrængningsstedet detekterer bakteriofagens tilstedeværelse, hvilket får ZorA til at rotere omkring ZorB. Dette danner den lange hale, der rækker ind i cytoplasmaet, og som også roterer.
Sammenkoblingen af ZorA og ZorB sender samtidig et signal ud i omgivelser om at rekruttere ZorC og ZorD.
ZorC og ZorD klipper DNA i stykker
ZorC og ZorD kommer hurtigt frem til det sted, hvor ZorA og ZorB ikke bare har detekteret, at en bakteriofag har brudt cellemembranen, men også hvor bakteriofagen er begyndt at pumpe sit eget DNA ind i bakterien.
Netop bakteriofagens DNA er dødsensfarligt for bakterier, da bakteriens molekylære maskiner til at omsætte DNA til proteiner ikke kan skelne mellem bakterielt DNA og bakteriofagens DNA.
Det vil sige, at hvis først bakteriofagens DNA når frem til de molekylære maskiner, begynder bakterien selv at producere dele til at lave nye bakteriofager.
Det bliver bakterien ved med, indtil den er så fyldt med bakteriofagdele, at bakterien revner, og nye bakteriofager vælter ud i omgivelserne.
Det sker dog ikke, hvis ZorC og ZorD bliver rekrutteret i tide.
Disse to proteiner har nemlig den funktion, at de binder til både ZorAB-komplekset, samtidig med at de som kompleks har evnen til at nedbryde DNA – altså DNA’et fra bakteriofagen.
Den del står ZorD for, mens ZorC virker til at skulle sikre, at ZorD bliver forankret i ZorAB og aktiveret.
”Det betyder, at disse to proteiner ikke risikerer at nedbryde bakteriens eget DNA, som ellers flyder ret frit rundt inde i cellen. Vi har i nogle år vidst, at Zorya-systemet beskytter bakterier mod bakteriofager. Nu ved vi, hvordan systemet fungerer,” forklarer Nicholas Taylor.
Han uddyber, at det interessante ved Zorya-systemet også er, at det efterlader bakterien i live.
Mange andre forsvarsmekanismer til at forsvare mod angreb fra bakteriofager indebærer faktisk, at bakterierne slår sig selv ihjel.
Ydermere virker forsvarssystemet mod mange forskellige bakteriofager.
”Studiet repræsenterer et betydeligt fremskridt i vores forståelse af bakterielle forsvarsmekanismer. Fremtidig forskning vil sandsynligvis fokusere på yderligere at belyse de molekylære detaljer i Zorya-systemet og udforske dets potentielle anvendelser inden for blandt andet medicin og bioteknologi,” siger Nicholas Taylor.
