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 het 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 aids veroorzaakt. HIV is een retrovirus dat niet direct in een dodelijke aanval gaat wanneer het een cel binnenkomt. In plaats daarvan integreert het zich 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, wordt nog volop onderzocht. 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 lijken niet graag in een zinkend schip te blijven.

Mijn laboratorium bestudeert al meer dan twee decennia de moleculaire biologie van bacteriofagen, of kortweg fagen, de virussen die bacteriën infecteren. Onlangs hebben mijn collega's en ik aangetoond 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 beheersen bacteriële populaties in de natuur en clinici gebruiken ze steeds vaker om bacteriële infecties te 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.

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 om te zoeken naar meer onbeschadigde cellen om te infecteren.

Tik 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 kruisen 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 jaren tachtig en de contraspionagetruc van Coliphage 186 in de late jaren negentig. 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 te genereren, of een soort bacterieel ei dat in staat is om extreme omgevingen te overleven. Phi29 geeft de cel de opdracht om zijn DNA in de spore te verpakken en de ontluikende bacteriën te doden zodra de spore ontkiemt.

In ons recent gepubliceerde 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 die flagella en pili worden genoemd. 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 Bacillus infecteren bacteriën produceren elke keer dat ze een cel infecteren een klein molecuul. De fagen kunnen dit molecuul detecteren en gebruiken om het aantal faaginfecties te tellen dat om hen heen 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.

Bestrijding van virale contraspionage

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, verschillen de virussen die ze infecteren niet zo veel van de virussen die mensen infecteren. Vrijwel elke truc die fagen speelden, bleek later te worden gebruikt door menselijke virussen. Als een faag bacteriële communicatielijnen kan aftappen, waarom zou een menselijk virus dan niet die van jou 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 wetenschappelijk onderzoek is 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. + Verder verkennen

Virussen zijn zowel de schurken als de helden van het leven zoals we het kennen

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.