Войны бактерий и фагов

Все знают вирусы, которые поражают человека: вирус гриппа, вирус иммунодефицита человека, из самых известных еще вирус оспы, от которого, к счастью, удалось избавиться, вирус полиомиелита — много-много разных вирусов. Полезно понимать, что вирусы — это не изобретение эукариотического мира. До того как появились вирусы, заражающие эукариоты, существовало множество вирусов, которые заражают бактерии. Вирусы бактерий называются бактериофагами или просто фагами и существуют очень давно.

Картинка ровно такая же, как с нашими вирусами. Бактериофаг не сам проникает в бактерию, а впрыскивает туда свою ДНК, переключает все информационные процессы бактериальной клетки на изготовление новых бактериофагов. То есть он отключает синтез собственных белков и заставляет бактерию синтезировать белки фага. Постепенно бактерия превращается в мешочек с вирусными частицами, который затем лопается, бактериофаги выходят наружу, заражают новые бактерии — это довольно эффективный процесс. Ясно, что если бы так было, то бактерий бы не осталось: фаги заразили бы все бактерии, и они бы умерли. Этого не происходит, потому что у бактерий есть множество разнообразных механизмов защиты. Это еще одно проявление войны, которая происходит в микромире, теперь уже между бактериями и бактериофагами. Механизмы защиты есть очень разные и довольно остроумные. Примерно понятно, как они могли выработаться в ходе эволюции: можно наблюдать промежуточные стадии, которые оказались полезными, поэтому сохранились до наших времен.

Можно разрушить вирусную ДНК. Вирус присоединяется к белку на поверхности клетки, опознает таким способом бактерию, впрыскивает туда свою собственную ДНК, а клетка ее тут же разрушает. Для того чтобы разрушить ДНК вируса, надо ее узнать, отличить ДНК вируса от своей собственной ДНК, бактериальной. Это делается разными способами, например при помощи системы рестрикции-модификации, которую мы очень интенсивно используем в генной инженерии.

Такая система состоит из двух белков, один из них режет ДНК всякий раз, когда встретит некое фиксированное слово. Такие слова также встречаются в бактериальной хромосоме, не только в вирусной. Есть другой белок, который химически модифицирует то же самое слово, модифицирует там одну из букв. Представим себе текст, в котором какие-то буквы покрашены красным. С точки зрения кодирования это та же самая буква, но она химически немного модифицирована. После того как она модифицирована, первый белок, который разрезает ее, это слово узнать не может. У фага эти слова не модифицированы, соответственно, когда впрыскивается фаг, разрезающий белок разрезает молекулу фага, а собственная хромосома бактерии защищена этими химическими модификациями. Как с этим борются вирусы? Бактериофаг может сделать так, что в его геноме таких слов не будет. Когда я говорю: «Сделает так», это не означает, что бактериофаг сел, задумался и сказал: «А поменяю-ка я несколько букв, чтобы системы рестрикции-модификации меня не узнали». Мутации происходят случайно, те фаги, в которых такие слова изменились, стали неуязвимы к бактериальной защите, получили эволюционное преимущество и таким способом отобрались.

Второй способ. Есть фаги, которые модифицируют всю ДНК целиком. После этого ДНК такого фага не может узнать вообще никакая клеточная система. Клетки модифицируют свои системы, чтобы, наоборот, узнавать модифицированные буквы и не узнавать немодифицированные. За счет маленьких изменений белков и того, что они узнают, все время происходит гонка вооружений.

Для того чтобы опознать ту бактерию, которую ему надо заразить, фаг связывается с каким-то конкретным белком на поверхности бактерии. Это белок бактериальный, он для чего-то нужен (например, белок, транспортирующий что-то полезное). Но в ситуации, когда много фагов, которые узнают этот рецептор, он становится вредным, потому что это те ворота, через которые проникает фаг. Бактериальная клетка может либо вообще избавиться от такого белка, либо его модифицировать за счет точечных мутаций. Имеется в виду не то, что бактериальная клетка задумалась и решила поменять свой рецептор, чтобы фаги ее не узнавали. Происходят случайные мутации, и те из них, которые препятствуют распознаванию фагом, оказываются полезными в ситуации большой зараженности, и такие бактерии получают эволюционное преимущество.

Наконец, самый красивый и альтруистический пример ― это самоубийство, когда бактерия, которая заражена фагом, не продуцирует новых фаговых частиц, а просто совершает самоубийство, разлагается. Для этого тоже есть специальные молекулярные механизмы, что называется системой токсин-антитоксин. Представьте себе, что у вас есть два белка. Один ядовитый, его в клетке мало, он продуцируется с маленькой интенсивностью, но он долгоживущий, то есть молекул мало, но каждая из них живет долго. Второй белок — антитоксин, он может связаться с токсином и его заингибировать, то есть токсин больше не действует. Молекул антитоксина много, так чтобы свободных молекул токсина не образовалось даже случайно, но они короткоживущие. Молекулы в избытке, они быстро разлагаются, и клетка все время много их делает.

На первом этапе заражения фаг переключает все клеточные механизмы на синтез новых фагов, в частности механизмы синтеза токсина и антитоксина. Клетка перестает продуцировать собственные белки, заканчивается продукция токсина и продукция антитоксина. Что происходит? Токсин долгоживущий, значит, молекулы токсина как были, так и остались, они никуда не делись. Антитоксин разлагается, это происходит быстро, а новые молекулы антитоксина не производятся. Теперь появились свободные молекулы токсина, токсин отравляет клетку, и она умирает, не успев сделать новых фагов.

Почему такой механизм эволюционно мог закрепиться? Как может закрепиться такой механизм самоубийства? Казалось бы, клетке от этого ничего хорошего, она бы в любом случае умерла. Дело в том, что обычно бактериальные клетки не существуют изолированно. Бактериальные клетки живут колониями, и все клетки в колонии идентичны генетически. Метафорически можно рассматривать такую колонию как генетически однородный единый организм. Тогда отдельным клеткам оказывается полезно совершить самоубийство, потому что с точки зрения набора генов они все одинаковы. Если какая-то из клеток умерла, но ценой этого сохранились все остальные, то эволюционно это очень полезно, они все генетически идентичны. Для бактерии как вида неважна судьба отдельных клеток, вид все равно сохранил штамм — набор идентичных бактерий. Можно это сопоставить с обычной иммунной системой людей: наши иммунные клетки погибают в процессе борьбы с заражением, но благодаря этому сохраняется весь организм.

Еще один механизм, по времени открытый самым последним. Он будет очень широко использоваться, в генной инженерии уже используются отдельные компоненты этого механизма. Это очень похоже на человеческий иммунитет, потому что система адаптивная. Система рестрикции-модификации и система токсин-антитоксин работают всегда, но в индивидуальной бактерии адаптации под новые фаги не происходит. Бактерии адаптируются на эволюционных временах, когда за счет точечных мутаций происходит подстройка.

Есть так называемые системы CRISPR/Cas, которые устроены так: они для опознавания фага используют фрагменты собственной ДНК фага. Это специальная кассета, набор фрагментов в геноме, который состоит из маленьких фрагментов фагов, с которыми эта бактерия уже встречалась. Когда приходит новый фаг, если он опознается как фаг, из него вырезается фрагмент, и бактерия вставляет его в свой геном. Есть специальный механизм, который позволяет это делать, и это уже не случайная мутация, а направленный функциональный механизм. Фрагмент ДНК фага используется для того, чтобы опознать этот фаг при повторном заражении. Когда какая-то из «дочерей» такой бактерии после некоторого количества клеточных делений встречает того же самого фага, этот фрагмент, который закодирован в ДНК, экспрессируется, то есть считывается, а дальше в качестве шаблона прикладывается к ДНК фага. Если в каком-то месте совпадет, то этот фаг тут же деградирует.

Это действительно удивительная система, она была открыта буквально в последние годы. Она эволюционно очень красивая и оказалась очень полезна в генной инженерии, потому что механизм точного опознавания фрагмента ДНК можно использовать для того, чтобы модифицировать геномы людей, растений, животных — кого угодно. Люди очень много это изучают, в частности в Сколтехе под руководством Константина Северинова, в том числе имея в виду индустриальное применение.