nauki ścisłe
Autor: Magdalena Kawalec | dodano: 2012-07-04
Wojny mikroświata

Gronkowiec skórny (Staphylococcus epidermidis). To badania oporności tej bakterii na fagi pozwoliły na odkrycie mechanizmu, dzięki któremu CRISPR rozróżniają własne DNA bakterii od materiału genetycznego wirusów.


Wirusy (fagi) atakują, bakterie kontratakują. Nowo odtajnianą bronią z arsenału bakteryjnej odporności są CRISPR. To nie żadne „antyciałka", ale sekwencje DNA, a wręcz całe ich układy. Wraz z baterią towarzyszących białek uruchamiają mechanizm immunologiczny wykorzystujący maleńkie cząsteczki RNA, co do złudzenia przypomina naszą walkę z wirusami, których jeszcze nie znamy. Bakteria walczy za ich pomocą z fagami, z którymi miała wątpliwą przyjemność wcześniej się poznać.

Bakterii jest bardzo dużo i bardzo różnych. Bakteryjnych wirusów, zwanych fagami, jakieś 5-10 razy więcej. Mowa będzie zatem o zjawisku wojny tyleż globalnej i totalnej, co niewidocznej gołym okiem. Oczywiście bywają i zawieszenia broni, a wiele milionów lat koegzystencji na polu walki doprowadziło do wzajemnych wymian genów między bakteriami a atakującymi je fagami, wojna to zatem ani zimna, ani gwałtowna - raczej pozycyjna. W jej wyniku ani bakterie nie wykończyły fagów, ani fagi nie doprowadziły do eksterminacji bakterii - i raczej nie należy się tego spodziewać. Obie strony w trakcie konfliktu i pod jego presją ewoluowały. Odkrywamy zatem tajniki tej wojny po to, żeby skuteczniej zwalczać bakterie chorobotwórcze czy fagi, które niszczą nasze biotechnologiczne fabryki. Badamy je również po to, by zrozumieć równowagę w świecie, w którym żyjemy.

Zablokować, pociąć czy uśpić?
Od dziesięcioleci znane były trzy mechanizmy bakteryjnej obrony przed fagami (z licznymi modyfikacjami). Po pierwsze - bakteria mogła nie mieć receptora dla danego faga. Na ogół wirus bakteryjny przed podjęciem ataku musiał się jakoś z komórką bakteryjną zapoznać i do niej przyczepić, wykorzystując częstokroć receptory służące bakteriom do wychwytywania ze środowiska substancji odżywczych (np. cukrów, takich jak arabinoza czy maltoza). Skoro brak białkowego receptora, nie dochodzi w ogóle do infekcji. Taki mechanizm nazywamy opornością (ang. resistance) bakterii na faga.

Po drugie - enzymy restrykcyjne (a dokładniej - systemy restrykcji-modyfikacji DNA). Te precyzyjne nożyczki do cięcia DNA, dzięki którym rozwinęła się w latach 70. ubiegłego wieku inżynieria genetyczna, są tworzone przez bakterie, od których biorą swą nazwę, np. najsłynniejszy EcoRI to pierwszy (I) enzym restrykcyjny (R) Escherichia coli (Eco), czyli pałeczki okrężnicy. Bakterie nie wytwarzają ich jednak po to, aby nasza ludzka cywilizacja mogła poszczycić się opracowaniem technik biomanipulacji i inżynierii genetycznej, ale by od miliardów lat walczyć ze swym naturalnym wrogiem - fagami, których materiałem genetycznym w którejkolwiek fazie replikacji (namnażania cząstek potomnych) jest DNA. Enzymy restrykcyjne rozpoznają „obce" od „swojego" dzięki metylacjom w cząsteczce bakteryjnego DNA, których fag jest pozbawiony, i bez litości tną w obrębie specyficznie rozpoznawanych sekwencji wyłącznie DNA „obce" - czyli faga intruza. Dodać trzeba, że te specyficznie rozpoznawane sekwencje nie są dowolne, ale mają na ogół strukturę palindromową (w genetyce sekwencja palindromowa DNA to taka, dla której sekwencja komplementarna jest identyczna, będzie nią np. CGAATTCG.

Po trzecie, bakteria mogła ulec infekcji fagiem, który jednak nie zabijał gwałtownie swego nowego gospodarza, prowadząc do lizy komórki bakteryjnej. Wchodził z nim raczej w rodzaj pokojowej koegzystencji, choć stosunki owe trudno było określić wolnymi od napięć. Obecność faga - zwanego profagiem, na ogół wmontowanego w genom bakteryjny i niejako „uśpionego" - zapewniała bakterii odporność (ang. immunity) na inne podobne fagi.

Fag zaś, w sytuacji ewentualnego ostatecznego ataku i dosłownie przekształcenia materii komórki bakteryjnej w potomne cząstki wirusa, miał gwarancję braku konkurencji o tę materię ze strony innych jemu podobnych fagów. O tym, że komórkę bakteryjną „zamieszkiwał" profag, można się przekonać, stresując ją (np. naświetlając promieniowaniem ultrafioletowym). Wtedy wiele mechanizmów zapewniających fagowi bezpieczną „hibernację" ulega uszkodzeniu lub neutralizacji i chcąc nie chcąc wznawia on swój cykl namnażania potomnych cząstek, co ostatecznie prowadzi do zlizowania bakterii (a to już widać gołym okiem na płytce z pożywką, na której gęsto posiano bakterie).

Długie, ale dobrze się kojarzy i jeszcze lepiej kończy
Pod koniec lat 80. ubiegłego wieku uczonym japońskim pracującym z poczciwą pałeczką okrężnicy udało się odkryć i opisać fragment DNA, którego znaczenia wtedy jeszcze nie rozumieli - zainteresowała ich sama sekwencja zasad: było to 14 powtórzeń po 29 par zasad (pz), pooddzielanych od siebie fragmentami długości 32-33 pz, ale te ostatnie nie składały się z powtórzeń ani nie były wielokrotnie powtarzane - każda była unikalna. Nadano im długą, opisową nazwę, którą skracano jako CRISPR, co w anglojęzycznym świecie biologii współczesnej kojarzyło się z czymś kruchym i świeżym (ang. crisp). W ciągu następnych 20 lat odkrywano coraz więcej tego typu sekwencji, co było tym łatwiejsze, że świat wkroczył w erę genomiki i sekwencjonowano kolejne, i kolejne genomy bakteryjne. Regiony CRISPR wykryto zatem w 40% znanych nam genomów bakterii i w 90% archeonów. Od kilku zaledwie lat wiadomo zaś, co fragmenty CRISPR mają do roboty. Ustalili to w 2007 roku naukowcy z międzynarodowej korporacji Danisco, a efekty ich przełomowych odkryć opublikował prestiżowy „Science".

Rozszyfrujmy: skrót CRISPR pochodzi z angielskiego Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat, co oznacza skupione, oddzielone regularnymi przerwami powtórzenia palindromiczne. Ponownie zatem w bakteryjnej odporności na wirusy pojawiają się palindromy, czyli takie sekwencje DNA, które mogą być czytane w obu kierunkach identycznie. Przyczyna, dla której stanowią one sygnały wykrywane przez różne mechanizmy rozpoznawania określonych miejsc w DNA, jest ukryta w czteroliterowym kodzie tego kwasu nukleinowego.

Pojawienie się w tym kodzie trzyliterowego palindromu nie jest niczym szczególnym i może być wynikiem przypadku. Pojawienie się w DNA palindromu długości sześciu liter to już wyzwanie z poziomu „kobyła ma mały bok". Natomiast wystąpienie powtórzeń palindromowych oddzielonych określonej długości i sekwencji przerwami DNA jest dla ewolucji wyzwaniem równie trudnym, co ułożenie palindromu „może jutro ta dama sama da tortu jeżom". Sygnały te, powstałe przypadkowo - bo w toku naturalnej zmienności genetycznej, dobrane zaś nieprzypadkowo - bo w wyniku presji selekcyjnej ze strony fagów, wykorzystuje się do rozpoznania i zabicia intruza przy jednoczesnym oszczędzeniu własnego materiału genetycznego bakterii.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 06/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
06/2020
05/2020
Kalendarium
Czerwiec
5
W 1981 r. Amerykańskie Centrum Kontroli i Prewencji Chorób doniosło, że 5 homoseksualistów zapadło na rzadką odmianę zapalenia płuc. Był to pierwszy opis choroby, rok później nazwanej AIDS.
Warto przeczytać
W zagubionej w lesie deszczowym Papui Nowej Gwinei jest maleńka wioska Gapun, w której mieszka 200 osób. Tylko 45 z nich mówi rdzennym językiem tayapu i z roku na rok jest ich coraz mniej. Amerykański antropolog Don Kulick postanawia udokumentować proces wymierania tego języka.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Magdalena Kawalec | dodano: 2012-07-04
Wojny mikroświata

Gronkowiec skórny (Staphylococcus epidermidis). To badania oporności tej bakterii na fagi pozwoliły na odkrycie mechanizmu, dzięki któremu CRISPR rozróżniają własne DNA bakterii od materiału genetycznego wirusów.


Wirusy (fagi) atakują, bakterie kontratakują. Nowo odtajnianą bronią z arsenału bakteryjnej odporności są CRISPR. To nie żadne „antyciałka", ale sekwencje DNA, a wręcz całe ich układy. Wraz z baterią towarzyszących białek uruchamiają mechanizm immunologiczny wykorzystujący maleńkie cząsteczki RNA, co do złudzenia przypomina naszą walkę z wirusami, których jeszcze nie znamy. Bakteria walczy za ich pomocą z fagami, z którymi miała wątpliwą przyjemność wcześniej się poznać.

Bakterii jest bardzo dużo i bardzo różnych. Bakteryjnych wirusów, zwanych fagami, jakieś 5-10 razy więcej. Mowa będzie zatem o zjawisku wojny tyleż globalnej i totalnej, co niewidocznej gołym okiem. Oczywiście bywają i zawieszenia broni, a wiele milionów lat koegzystencji na polu walki doprowadziło do wzajemnych wymian genów między bakteriami a atakującymi je fagami, wojna to zatem ani zimna, ani gwałtowna - raczej pozycyjna. W jej wyniku ani bakterie nie wykończyły fagów, ani fagi nie doprowadziły do eksterminacji bakterii - i raczej nie należy się tego spodziewać. Obie strony w trakcie konfliktu i pod jego presją ewoluowały. Odkrywamy zatem tajniki tej wojny po to, żeby skuteczniej zwalczać bakterie chorobotwórcze czy fagi, które niszczą nasze biotechnologiczne fabryki. Badamy je również po to, by zrozumieć równowagę w świecie, w którym żyjemy.

Zablokować, pociąć czy uśpić?
Od dziesięcioleci znane były trzy mechanizmy bakteryjnej obrony przed fagami (z licznymi modyfikacjami). Po pierwsze - bakteria mogła nie mieć receptora dla danego faga. Na ogół wirus bakteryjny przed podjęciem ataku musiał się jakoś z komórką bakteryjną zapoznać i do niej przyczepić, wykorzystując częstokroć receptory służące bakteriom do wychwytywania ze środowiska substancji odżywczych (np. cukrów, takich jak arabinoza czy maltoza). Skoro brak białkowego receptora, nie dochodzi w ogóle do infekcji. Taki mechanizm nazywamy opornością (ang. resistance) bakterii na faga.

Po drugie - enzymy restrykcyjne (a dokładniej - systemy restrykcji-modyfikacji DNA). Te precyzyjne nożyczki do cięcia DNA, dzięki którym rozwinęła się w latach 70. ubiegłego wieku inżynieria genetyczna, są tworzone przez bakterie, od których biorą swą nazwę, np. najsłynniejszy EcoRI to pierwszy (I) enzym restrykcyjny (R) Escherichia coli (Eco), czyli pałeczki okrężnicy. Bakterie nie wytwarzają ich jednak po to, aby nasza ludzka cywilizacja mogła poszczycić się opracowaniem technik biomanipulacji i inżynierii genetycznej, ale by od miliardów lat walczyć ze swym naturalnym wrogiem - fagami, których materiałem genetycznym w którejkolwiek fazie replikacji (namnażania cząstek potomnych) jest DNA. Enzymy restrykcyjne rozpoznają „obce" od „swojego" dzięki metylacjom w cząsteczce bakteryjnego DNA, których fag jest pozbawiony, i bez litości tną w obrębie specyficznie rozpoznawanych sekwencji wyłącznie DNA „obce" - czyli faga intruza. Dodać trzeba, że te specyficznie rozpoznawane sekwencje nie są dowolne, ale mają na ogół strukturę palindromową (w genetyce sekwencja palindromowa DNA to taka, dla której sekwencja komplementarna jest identyczna, będzie nią np. CGAATTCG.

Po trzecie, bakteria mogła ulec infekcji fagiem, który jednak nie zabijał gwałtownie swego nowego gospodarza, prowadząc do lizy komórki bakteryjnej. Wchodził z nim raczej w rodzaj pokojowej koegzystencji, choć stosunki owe trudno było określić wolnymi od napięć. Obecność faga - zwanego profagiem, na ogół wmontowanego w genom bakteryjny i niejako „uśpionego" - zapewniała bakterii odporność (ang. immunity) na inne podobne fagi.

Fag zaś, w sytuacji ewentualnego ostatecznego ataku i dosłownie przekształcenia materii komórki bakteryjnej w potomne cząstki wirusa, miał gwarancję braku konkurencji o tę materię ze strony innych jemu podobnych fagów. O tym, że komórkę bakteryjną „zamieszkiwał" profag, można się przekonać, stresując ją (np. naświetlając promieniowaniem ultrafioletowym). Wtedy wiele mechanizmów zapewniających fagowi bezpieczną „hibernację" ulega uszkodzeniu lub neutralizacji i chcąc nie chcąc wznawia on swój cykl namnażania potomnych cząstek, co ostatecznie prowadzi do zlizowania bakterii (a to już widać gołym okiem na płytce z pożywką, na której gęsto posiano bakterie).

Długie, ale dobrze się kojarzy i jeszcze lepiej kończy
Pod koniec lat 80. ubiegłego wieku uczonym japońskim pracującym z poczciwą pałeczką okrężnicy udało się odkryć i opisać fragment DNA, którego znaczenia wtedy jeszcze nie rozumieli - zainteresowała ich sama sekwencja zasad: było to 14 powtórzeń po 29 par zasad (pz), pooddzielanych od siebie fragmentami długości 32-33 pz, ale te ostatnie nie składały się z powtórzeń ani nie były wielokrotnie powtarzane - każda była unikalna. Nadano im długą, opisową nazwę, którą skracano jako CRISPR, co w anglojęzycznym świecie biologii współczesnej kojarzyło się z czymś kruchym i świeżym (ang. crisp). W ciągu następnych 20 lat odkrywano coraz więcej tego typu sekwencji, co było tym łatwiejsze, że świat wkroczył w erę genomiki i sekwencjonowano kolejne, i kolejne genomy bakteryjne. Regiony CRISPR wykryto zatem w 40% znanych nam genomów bakterii i w 90% archeonów. Od kilku zaledwie lat wiadomo zaś, co fragmenty CRISPR mają do roboty. Ustalili to w 2007 roku naukowcy z międzynarodowej korporacji Danisco, a efekty ich przełomowych odkryć opublikował prestiżowy „Science".

Rozszyfrujmy: skrót CRISPR pochodzi z angielskiego Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat, co oznacza skupione, oddzielone regularnymi przerwami powtórzenia palindromiczne. Ponownie zatem w bakteryjnej odporności na wirusy pojawiają się palindromy, czyli takie sekwencje DNA, które mogą być czytane w obu kierunkach identycznie. Przyczyna, dla której stanowią one sygnały wykrywane przez różne mechanizmy rozpoznawania określonych miejsc w DNA, jest ukryta w czteroliterowym kodzie tego kwasu nukleinowego.

Pojawienie się w tym kodzie trzyliterowego palindromu nie jest niczym szczególnym i może być wynikiem przypadku. Pojawienie się w DNA palindromu długości sześciu liter to już wyzwanie z poziomu „kobyła ma mały bok". Natomiast wystąpienie powtórzeń palindromowych oddzielonych określonej długości i sekwencji przerwami DNA jest dla ewolucji wyzwaniem równie trudnym, co ułożenie palindromu „może jutro ta dama sama da tortu jeżom". Sygnały te, powstałe przypadkowo - bo w toku naturalnej zmienności genetycznej, dobrane zaś nieprzypadkowo - bo w wyniku presji selekcyjnej ze strony fagów, wykorzystuje się do rozpoznania i zabicia intruza przy jednoczesnym oszczędzeniu własnego materiału genetycznego bakterii.