Bakterie i wirusy od miliardów lat toczą niewidzialną wojnę o przetrwanie. W tej ewolucyjnej grze w kotka i myszkę mikroorganizmy rozwinęły zadziwiająco złożone mechanizmy obronne. Zespół prof. Thomasa Wooda z Penn State University odkrył właśnie, że część z tych systemów bazuje na genach pradawnych wirusów - tzw. kryptycznych profagów - które "uśpione" w bakteryjnym DNA, mogą nagle przebudzić się i stanąć po stronie gospodarza.

- W ostatnich latach obserwujemy prawdziwy wysyp odkryć dotyczących systemów antywirusowych u bakterii. To ekscytujące, bo antybiotyki zawodzą, a ich naturalnym następcą mogą stać się właśnie wirusy. Zanim jednak zaczniemy wykorzystywać fagi do leczenia infekcji, musimy dokładnie zrozumieć, jak bakterie same bronią się przed atakiem tych wirusów - mówi prof. Thomas Wood.

Mechanizm obronny z czasów, gdy nie było jeszcze ludzi

Dotychczas sądzono, że uśpione fragmenty dawnych wirusów w genomie bakterii są jedynie ewolucyjnym artefaktem. Tymczasem zespół prof. Wooda odkrył, że niektóre z nich aktywnie chronią komórkę. W badaniach opublikowanych w Nucleic Acids Research naukowcy wykazali, że enzym rekombinaza - PinQ - potrafi w odpowiedzi na infekcję odwrócić określony fragment DNA bakterii w procesie zwanym inwersją.

Ta z pozoru drobna zmiana prowadzi do powstania dwóch nowych białek chimerycznych - StfE1 i StfE2 - które działają jak fizyczna tarcza, blokując wirusom możliwość przyczepienia się do ściany komórkowej. W ten sposób bakteria unieszkodliwia wirusa jeszcze zanim ten zdoła wstrzyknąć swój materiał genetyczny.

- Zazwyczaj zmiany w DNA prowadzą do mutacji, które dezaktywują białka. Tutaj jest inaczej. Te inwersje generują w pełni funkcjonalne białka obronne. To niezwykle wyrafinowany system, który ewoluował przez miliony lat, by perfekcyjnie odpowiadać na wirusowy atak - tłumaczy prof. Wood.

Jak bakterie uczą się bronić?

Zespół Penn State przeprowadził serię eksperymentów z wykorzystaniem bakterii Escherichia coli. Najpierw zwiększono produkcję białek Stf, a następnie wystawiono bakterie na działanie wirusów. Po inkubacji przez noc badacze mierzyli zmętnienie próbki - im większe, tym więcej bakterii przetrwało, a mniej wirusów zdołało się rozmnożyć.

Równolegle naukowcy użyli modelowania komputerowego, aby odwzorować proces adsorpcji, czyli "dokowania" wirusa do powierzchni komórki. Wyniki pokrywały się z obserwacjami laboratoryjnymi: nadprodukcja białek Stf skutecznie uniemożliwiała fagom przyczepienie się do bakterii.

Z czasem jednak - po 8 cyklach infekcji - wirusy zaczęły się adaptować: zmieniały swoje białka powierzchniowe i odzyskiwały zdolność przyłączania się do gospodarza. - To pokazuje, że ewolucyjna walka wciąż trwa. Obrona działa, ale wirusy uczą się ją przełamywać - dokładnie tak jak w naturze - dodaje prof. Wood.

Jak działa molekularna "tarcza"?

Aby zrozumieć szczegóły, badacze przyjrzeli się strukturom białek uczestniczących w procesie infekcji. Fagi wykorzystują białko Gp38, które wiąże się z receptorami FadL i OmpF na powierzchni bakterii. Białko StfE2, powstałe z uśpionego profaga dzięki enzymowi PinQ, zmienia konfigurację tych receptorów tak, że Gp38 nie jest w stanie ich rozpoznać. Innymi słowy, dzięki pradawnemu wirusowi bakteria potrafi maskować swoje wejścia przed nowymi najeźdźcami. To jak zmiana zamków w drzwiach, gdy złodziej wciąż ma stary klucz.

Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza biologię molekularną. Zrozumienie, jak bakterie bronią się przed fagami, może zrewolucjonizować terapie fagowe - obiecującą alternatywę dla antybiotyków. W dobie narastającej oporności bakterii, fagi są postrzegane jako przyszłość leczenia zakażeń, lecz ich skuteczność zależy od tego, jak dobrze rozumiemy bakteryjne systemy obronne.

Wiedza o mechanizmach takich jak PinQ-Stf może również pomóc w ochronie bakterii przemysłowych wykorzystywanych w fermentacji, np. tych używanych do produkcji jogurtów, serów czy probiotyków. W tych procesach zakażenie fagami może prowadzić do strat rzędu milionów dolarów. Zespół planuje teraz analizę 8 kolejnych kryptycznych profagów znajdujących się w laboratorium Penn State.

Terapie fagowe w Polsce

W Polsce fagoterapia, czyli leczenie wirusami bakteriofagowymi, ma dłuższą tradycję niż w większości krajów Europy. Jej centrum stanowi Ośrodek Terapii Fagowej (OTF) działający od 2005 r. przy Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda PAN we Wrocławiu, kierowany przez prof. Andrzeja Górskiego i prof. Ryszarda Międzybrodzkiego. To jedyne w Europie miejsce, gdzie prowadzi się tę terapię w sposób klinicznie kontrolowany, w ramach tzw. eksperymentu leczniczego. Fagi stosuje się tu u pacjentów, u których zawiodły antybiotyki - w zakażeniach skóry, kości, stawów, przetok, ran pooperacyjnych, dróg oddechowych i moczowych, a także w przypadkach infekcji wywołanych przez bakterie wielolekooporne, takie jak Staphylococcus aureus czy Pseudomonas aeruginosa.

Choć terapia fagowa wciąż pozostaje procedurą eksperymentalną, Polska uchodzi za lidera w jej praktycznym zastosowaniu. Według danych OTF skuteczność leczenia sięga 70-85 proc. przypadków, w zależności od rodzaju zakażenia. Każdy przypadek wymaga indywidualnej kwalifikacji - od izolacji bakterii z próbki pacjenta, przez testowanie jej wrażliwości na poszczególne fagi, po przygotowanie spersonalizowanego preparatu, który może być stosowany doustnie, miejscowo lub w inhalacjach.

Czytaj także:

Nowa szczepionka chroni przed dwoma śmiertelnymi chorobami

Nowy antybiotyk zatrzymuje nawroty infekcji jelitowych