Fagen kunnen bacteriële DNA-schade detecteren, waardoor ze zich gaan repliceren en van boord gaan. Ontwerp Cellen/iStock via Getty Images Plus
Na meer dan twee jaar van de COVID-19-pandemie, zou je je een virus kunnen voorstellen als een vervelende puntige bal - een hersenloze moordenaar die een cel binnendringt en zijn machines kaapt om een ontelbaar aantal kopieën van zichzelf te maken voordat hij uitbarst. Voor veel virussen, waaronder de coronavirus dat COVID-19 veroorzaakt, is het epitheton "hersenloze moordenaar" in wezen waar.
Maar virusbiologie is meer dan op het eerste gezicht lijkt.
Neem hiv, het virus dat ervoor zorgt 에이즈. HIV is een retrovirus dat gaat niet direct op een moordpartij als het een cel binnenkomt. In plaats daarvan integreert het zichzelf in je chromosomen en koude rillingen, wachtend op het juiste moment om de cel te bevelen er kopieën van te maken en barst het uit om andere immuuncellen te infecteren en uiteindelijk AIDS te veroorzaken.
Op welk moment hiv precies wacht, is nog een gebied van actieve studie. Maar onderzoek naar andere virussen heeft lang gesuggereerd dat deze ziekteverwekkers behoorlijk "bedachtzaam" kunnen zijn over doden. Natuurlijk kunnen virussen niet denken zoals jij en ik. Maar het blijkt dat de evolutie hen een aantal behoorlijk uitgebreide besluitvormingsmechanismen heeft gegeven. Sommige virussen zullen er bijvoorbeeld voor kiezen om de cel waarin ze verbleven te verlaten als ze DNA-schade detecteren. Zelfs virussen, zo lijkt het, willen niet in een zinkend schip blijven.
My laboratorium heeft de moleculaire biologie van bacteriofagen, of kortweg fagen, de virussen die bacteriën infecteren, al meer dan twee decennia. Onlangs hebben mijn collega's en ik getoond hebben dat fagen kunnen luisteren naar belangrijke cellulaire signalen om hen te helpen bij hun besluitvorming. Erger nog, ze kunnen de eigen 'oren' van de cel gebruiken om voor hen te luisteren.
Ontsnappen aan DNA-schade
Als de vijand van je vijand je vriend is, zijn fagen zeker je vrienden. fagen controle bacteriële populaties in de natuur, en clinici gebruiken ze steeds vaker om bacteriële infecties behandelen die niet reageren op antibiotica.
De best bestudeerde faag, lambda, werkt een beetje als hiv. Bij binnenkomst in de bacteriecel beslist lambda of ze de cel repliceren en direct doden, zoals de meeste virussen doen, of zichzelf integreren in het chromosoom van de cel, zoals HIV doet. Als het laatste het geval is, repliceert lambda zich onschadelijk met zijn gastheer elke keer dat de bacterie zich deelt.
Deze video toont een lambda-faag die E. coli infecteert.
Maar, net als HIV, zit lambda niet alleen stil. Het gebruikt een speciaal eiwit genaamd CI, zoals een stethoscoop, om te luisteren naar tekenen van DNA-schade in de bacteriële cel. Als het DNA van de bacterie wordt aangetast, is dat slecht nieuws voor de lambda-faag die erin genest is. Beschadigd DNA leidt rechtstreeks naar de stortplaats van de evolutie, omdat het nutteloos is voor de faag die het nodig heeft om zich voort te planten. Dus lambda zet zijn replicatiegenen aan, maakt kopieën van zichzelf en barst uit de cel op zoek naar meer onbeschadigde cellen om te infecteren.
Tikken op het communicatiesysteem van de cel
Sommige fagen, in plaats van informatie te verzamelen met hun eigen eiwitten, tikken op de eigen DNA-schadesensor van de geïnfecteerde cel: LexA.
Eiwitten zoals CI en LexA zijn transcriptiefactoren die genen aan- en uitzetten door zich te binden aan specifieke genetische patronen in het DNA-instructieboek dat het chromosoom is. Sommige fagen zoals Coliphage 186 hebben ontdekt dat ze hun eigen virale CI-eiwit niet nodig hebben als ze een korte DNA-sequentie in hun chromosomen hebben waaraan bacterieel LexA kan binden. Na het detecteren van DNA-schade, zal LexA de repliceren-en-doden-genen van de faag activeren, in wezen de cel dubbel oversteken om zelfmoord te plegen terwijl de faag kan ontsnappen.
Wetenschappers rapporteerden voor het eerst de rol van CI in de besluitvorming over fagen in de 1980s en de contraspionagetruc van Coliphage 186 in de late jaren 1990. Sindsdien zijn er een paar andere meldingen geweest van fagen die bacteriële communicatiesystemen aftappen. Een voorbeeld is: faag phi29, die de transcriptiefactor van zijn gastheer gebruikt om te detecteren wanneer de bacterie zich klaarmaakt om een spore of een soort bacterieel ei te genereren in staat om extreme omgevingen te overleven. Phi29 instrueert de cel om zijn DNA in de spore te verpakken, waarbij de ontluikende bacteriën worden gedood zodra de spore ontkiemt.
Transcriptiefactoren zetten genen aan en uit.
In onze recent gepubliceerd onderzoek, laten mijn collega's en ik zien dat verschillende groepen fagen onafhankelijk van elkaar het vermogen hebben ontwikkeld om gebruik te maken van nog een ander bacterieel communicatiesysteem: het CtrA-eiwit. CtrA integreert meerdere interne en externe signalen om verschillende ontwikkelingsprocessen in bacteriën in gang te zetten. De belangrijkste hiervan is de productie van bacteriële aanhangsels genaamd flagella en pili. Het blijkt dat deze fagen zich hechten aan de pili en flagella van bacteriën om ze te infecteren.
Onze leidende hypothese is dat fagen CtrA gebruiken om te raden wanneer er voldoende bacteriën in de buurt van pili en flagella zullen zijn die ze gemakkelijk kunnen infecteren. Een behoorlijk slimme truc voor een 'hersenloze moordenaar'.
Dit zijn niet de enige fagen die uitgebreide beslissingen nemen - allemaal zonder het voordeel van zelfs maar een brein te hebben. Sommige fagen die infecteren Bacil bacteriën produceren elke keer dat ze een cel infecteren een klein molecuul. De fagen kunnen dit molecuul waarnemen en gebruiken om tel het aantal faaginfecties rondom hen plaatsvindt. Net als buitenaardse indringers, helpt deze telling om te beslissen wanneer ze hun genen voor repliceren en doden moeten inschakelen, waarbij ze alleen doden als er relatief veel gastheren zijn. Op deze manier zorgen de fagen ervoor dat ze nooit zonder gastheren komen te zitten om te infecteren en garanderen ze hun eigen overleving op lange termijn.
Virale contraspionage tegengaan
Je vraagt je misschien af waarom je je druk zou moeten maken over de contraspionage-operaties die worden uitgevoerd door bacteriële virussen. Hoewel bacteriën heel anders zijn dan mensen, zijn de virussen die hen infecteren dat wel niet zo anders van de virussen die mensen infecteren. Ongeveer elke truc gespeeld door fagen is later aangetoond dat het wordt gebruikt door menselijke virussen. Als een faag bacteriële communicatielijnen kan aftappen, waarom zou een menselijk virus dan de jouwe niet aftappen?
Tot nu toe weten onderzoekers niet waar menselijke virussen naar zouden kunnen luisteren als ze deze regels kapen, maar er komen veel opties in je op. Ik geloof dat menselijke virussen, net als fagen, mogelijk in staat zouden kunnen zijn hun aantal te tellen om strategieën te bepalen, celgroei en weefselvorming te detecteren en zelfs immuunresponsen te volgen. Voorlopig zijn deze mogelijkheden slechts speculatie, maar er is wetenschappelijk onderzoek aan de gang.
Virussen laten luisteren naar de privégesprekken van uw cellen is niet de meest rooskleurige foto, maar het is niet zonder een zilveren randje. Zoals inlichtingendiensten over de hele wereld goed weten, werkt contraspionage alleen als het heimelijk is. Eenmaal gedetecteerd, kan het systeem heel gemakkelijk worden misbruikt om verkeerde informatie naar je vijand te sturen. Evenzo denk ik dat toekomstige antivirale therapieën conventionele artillerie, zoals antivirale middelen die virale replicatie voorkomen, kunnen combineren met informatieoorlogvoering, zoals het virus laten geloven dat de cel waarin het zich bevindt tot een ander weefsel behoort.
Maar, stil, vertel het aan niemand. Virussen kunnen luisteren!
Over de auteur
Ivan Eril, universitair hoofddocent biologische wetenschappen, Universiteit van Maryland, Baltimore County
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Related Books:
Het lichaam houdt de score bij: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
door Bessel van der Kolk
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen trauma en fysieke en mentale gezondheid en biedt inzichten en strategieën voor genezing en herstel.
Klik voor meer info of om te bestellen
Adem: de nieuwe wetenschap van een verloren kunst
door James Nestor
Dit boek verkent de wetenschap en praktijk van ademhalen en biedt inzichten en technieken voor het verbeteren van de fysieke en mentale gezondheid.
Klik voor meer info of om te bestellen
De plantenparadox: de verborgen gevaren van 'gezond' voedsel dat ziekten en gewichtstoename veroorzaakt
door Steven R. Gundry
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen voeding, gezondheid en ziekte en biedt inzichten en strategieën om de algehele gezondheid en het welzijn te verbeteren.
Klik voor meer info of om te bestellen
De immuniteitscode: het nieuwe paradigma voor echte gezondheid en radicale antiveroudering
door Joël Greene
Dit boek biedt een nieuw perspectief op gezondheid en immuniteit, gebaseerd op principes van epigenetica en biedt inzichten en strategieën voor het optimaliseren van gezondheid en veroudering.
Klik voor meer info of om te bestellen
De complete gids voor vasten: genees uw lichaam door middel van intermitterend, afwisselende dagen en langdurig vasten
door dr. Jason Fung en Jimmy Moore
Dit boek onderzoekt de wetenschap en praktijk van vasten en biedt inzichten en strategieën voor het verbeteren van de algehele gezondheid en welzijn.
