Zoals de meeste organismen worden bacteriën aangevallen door virussen - en hun go-to-benadering om de indringers te vernietigen, is ze eenvoudigweg in stukken te hakken. Zodra een bacterie een virus ziet, kan hij tal van immuunstrategieën gebruiken om zijn genoom in stukjes te snijden met behulp van moleculaire snijders zoals CRISPR-Cas, ook de naamgenoot van een populair laboratoriuminstrument.

Een nieuwe studie toont nu aan dat de verdedigingsstrategieën van bacteriën niet geïsoleerd werken. Onderzoekers van de Rockefeller University ontdekten dat er een verrassende mate van samenwerking plaatsvindt tussen het CRISPR-Cas-systeem en de andere prominente verdedigingsstrategie van bacteriën, bekend als restrictie-enzymen. "Veel wetenschappers hebben een of beide van deze systemen gebruikt voor hun onderzoek, maar we wisten niet in hoeverre ze verbonden zijn in bacteriën", zegt Luciano Marraffini, Kayden Family Professor bij Rockefeller en een onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute. .

De bevindingen, gepubliceerd in Molecular Cell , laten zien dat terwijl restrictie-enzymen fungeren als de eerste verdedigingslinie, ze ook het materiaal voorbereiden dat CRISPR-Cas nodig heeft om het virus met precisie aan te pakken. "Het mechanisme doet denken aan onze eigen meervoudige immuunrespons", zegt Marraffini. "Het omvat een tijdelijke eerste verdedigingslinie voordat een tweede, robuustere adaptieve reactie wordt geactiveerd."

Beveiliging in meerdere stappen

Restrictie-enzymen zijn in staat korte DNA-sequenties te splitsen, dus de bacterie maakt er gebruik van zodra het virus de bacteriecel binnendringt. CRISPR-Cas, een meer geavanceerd systeem, komt later. Terwijl het restrictie-enzym viraal DNA verscheurt met de grofheid van een grasmaaier, is CRISPR-Cas als een vlijmscherpe schaar die wordt gebruikt door een nauwgezette tuinman. Het snijdt de virale indringer met onberispelijke precisie door het netjes af te stemmen op een moleculaire gids die gericht is op een specifieke genetische sequentie.

Beide soorten bacteriële afweer worden vaak gebruikt door biologen wiens dagelijkse taken het manipuleren van DNA voor verschillende doeleinden omvatten, zoals het sequencen van genen, het laten fluoresceren van moleculen of het creëren van dieren met gemodificeerde genomen. In de jaren zeventig gebruikten wetenschappers restrictie-enzymen om een ​​nieuw hulpmiddel te ontwikkelen, recombinant DNA genaamd, dat het mogelijk maakte om afzonderlijke genen te klonen en te bestuderen. En tien jaar geleden zorgde technologie op basis van CRISPR-Cas voor een revolutie in de biowetenschap door wetenschappers de middelen te geven om genomen in levende cellen en organismen te bewerken.

In samenwerking met Staphylococcus aureus ontdekte Pascal Maguin, een afgestudeerde fellow in het laboratorium van Marraffini, dat de strategieën voor het hakken van virussen van deze bacterie beter samenwerken dan alleen. Wanneer Staph alleen wordt beschermd door restrictie-enzymen, is hun verdediging van korte duur omdat sommige van de virussen uiteindelijk hun DNA zullen gaan beschermen - en na een tijdje, zo blijkt uit hun onderzoek, zullen de bacteriën die in de schaal groeien beginnen af ​​​​te nemen. Als Staph echter toegang heeft tot beide systemen, herstellen ze snel.

Maguin en zijn collega's ontdekten hoe de twee systemen samenwerken:segmenten die voorheen werden afgekapt door restrictie-enzymen, helpen de CRISPR-Cas-machine om de moleculaire gids te genereren die nodig is om de virussen te vinden en een einde te maken aan de infectie.

"Het lijkt een beetje op vaccinatie", zegt Marraffini. "Het restrictie-enzym knipt kleine stukjes van het virus die CRISPR vervolgens gebruikt om een ​​adaptieve respons op te bouwen."

De bevindingen kunnen ons niet alleen helpen begrijpen hoe Staph zichzelf verdedigt tegen virussen; er is een kans dat ze ons ook beter uitgerust kunnen maken om onszelf te verdedigen tegen stafylokok - een soort die berucht is om zijn vermogen om resistent te worden tegen antibiotica. Vorig jaar ontdekte het team van Marraffini dat de bacterie zijn CRISPR-Cas-systeem niet alleen gebruikt om virussen af ​​te weren, maar ook om multidrugresistentie te ontwikkelen. Een beter begrip van het systeem zou wetenschappers op een dag in staat kunnen stellen het te manipuleren met medicijnen om stafylokokbesmettingen te bestrijden die niet op andere behandelingen reageren.