Wetenschap
Studie beschrijft een algemene bacteriële verdediging tegen virale infecties
Een van de vele geheimen van het succes van bacteriën is hun vermogen om zichzelf te verdedigen tegen virussen, fagen genaamd, die bacteriën infecteren en hun cellulaire machinerie gebruiken om kopieën van zichzelf te maken.
Technologische vooruitgang heeft de recente identificatie mogelijk gemaakt van de eiwitten die bij deze systemen betrokken zijn, maar wetenschappers graven nog steeds dieper in wat deze eiwitten doen.
In een nieuwe studie heeft een team van de Ohio State University gerapporteerd over de moleculaire assemblage van een van de meest voorkomende antifaagsystemen – uit de familie van eiwitten genaamd Gabija – die naar schatting door ten minste 8,5% wordt gebruikt, en tot 18% van alle bacteriesoorten op aarde.
Onderzoekers ontdekten dat één eiwit de kracht lijkt te hebben om een faag af te weren, maar wanneer het zich bindt aan een partnereiwit, is het resulterende complex zeer bedreven in het afknippen van het genoom van een binnendringende faag, zodat deze zich niet meer kan vermenigvuldigen.
"We denken dat de twee eiwitten het complex moeten vormen om een rol te spelen bij de preventie van fagen, maar we geloven ook dat één eiwit alleen een anti-faagfunctie heeft", zegt Zhangfei Shen, co-hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker. in biologische chemie en farmacologie aan het Ohio State's College of Medicine. "De volledige rol van het tweede eiwit moet verder worden bestudeerd."
De bevindingen dragen bij aan het wetenschappelijk begrip van de evolutionaire strategieën van micro-organismen en zouden op een dag vertaald kunnen worden in biomedische toepassingen, zeggen onderzoekers.
Shen en co-hoofdauteur Xiaoyuan Yang, een Ph.D. student, werk in het laboratorium van senior auteur Tianmin Fu, assistent-professor biologische chemie en farmacologie aan de staat Ohio.
De studie werd op 16 april gepubliceerd in Nature Structural &Molecular Biology .
De twee eiwitten waaruit dit afweersysteem bestaat, heten Gabija A en Gabija B, of kortweg GajA en GajB.
Onderzoekers gebruikten cryo-elektronenmicroscopie om de biochemische structuren van GajA en GajB afzonderlijk te bepalen en van wat een supramoleculair complex, GajAB, wordt genoemd, dat ontstaat wanneer de twee binden om een cluster te vormen dat uit vier moleculen van elk eiwit bestaat.
In experimenten met de Bacillus cereus-bacterie als model observeerden onderzoekers de activiteit van het complex in de aanwezigheid van fagen om inzicht te krijgen in de werking van het afweersysteem.
Hoewel GajA alleen tekenen van activiteit vertoonde die het DNA van een faag zouden kunnen uitschakelen, was het complex dat het met GajB vormde veel effectiever in het garanderen dat fagen de bacteriële cel niet zouden kunnen overnemen.
"Dat is het mysterieuze deel," zei Yang. "GajA alleen is voldoende om de faagkern te splitsen, maar vormt ook het complex met GajB als we ze samen incuberen. Onze hypothese is dat GajA de genomische sequentie van de faag herkent, maar GajB verbetert die herkenning en helpt het faag-DNA te knippen. "
De grote omvang en de langgerekte configuratie van het complex maakten het moeilijk om een volledig beeld te krijgen van de functionele bijdragen van GajB wanneer hij aan GajA was gebonden, zei Shen, waardoor het team enkele aannames moest doen over eiwitrollen die nog moeten worden bevestigd.
"We weten alleen dat GajB de GajA-activiteit helpt verbeteren, maar we weten nog niet hoe het werkt, omdat we er slechts ongeveer 50% van op het complex zien," zei Shen.
Een van hun hypothesen is dat GajB het concentratieniveau van een energiebron, het nucleotide ATP (adenosinetrifosfaat), in de cellulaire omgeving kan beïnvloeden, met name door ATP naar beneden te drijven bij detectie van de aanwezigheid van de faag. Dat zou het dubbele effect hebben van het uitbreiden van GajA's faag-DNA-uitschakelende activiteit en het stelen van energie die een faag nodig zou hebben om te repliceren, zei Yang.
Er valt nog meer te leren over bacteriële anti-faagverdedigingssystemen, maar dit team heeft al aangetoond dat het blokkeren van virusreplicatie niet het enige wapen in het bacteriële arsenaal is. In een eerdere studie beschreven Fu, Shen, Yang en collega's een andere verdedigingsstrategie:bacteriën programmeren hun eigen dood in plaats van fagen een gemeenschap te laten overnemen.