Bakteriofagi istnieją na Ziemi od miliardów lat i przez ten czas wyspecjalizowały się w precyzyjnym rozpoznawaniu i, jeśli potrzeba, niszczeniu konkretnych szczepów bakterii.

Zainteresowanie bakteriofagami jako narzędziem medycznym rośnie, szczególnie w kontekście antybiotykooporności, czyli procesu, w którym bakterie ewoluują i uczą się pokonywać antybiotyki. Lekooporne szczepy stają się wtedy zagrożeniem nie tylko przy zwykłej infekcji, ale podczas hospitalizacji, operacji czy chemioterapii, kiedy skuteczna antybiotykoterapia bywa kwestią życia i śmierci.

Jednym ze sposobów na rozwiązanie problemu antybiotykooporności mogą być właśnie bakteriofagi, ale aby skutecznie te wirusy wykorzystać, naukowcy muszą najpierw dobrze zrozumieć, jak działają.

Przykładem może być pałeczka zapalenia płuc, która jest jedną z głównych przyczyn groźnych zakażeń szpitalnych. Chroni się ona grubą cukrową otoczką, rodzajem chemicznego pancerza, stanowiąc problemem dla naszego układu odpornościowego. Z pomocą przychodzą fagi, które wyglądają jak miniaturowe mechaniczne pająki: mają głowę, w której przechowują swój materiał genetyczny i nóżki, którymi przyczepiają się do bakterii. Na końcach tych nóżek znajdują się wyspecjalizowane białka - swoiste klucze dobrane do konkretnej bakteryjnej otoczki. Przez długi czas sądzono, że te klucze mają jedną formę: enzym zwany depolimerazą, który fizycznie rozgryza cukrowy pancerz.

Badania zespołu dr hab. Rafała Mostowego, prof. UJ z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, przy współpracy z badaczami z Uniwersytetu Wrocławskiego, pokazują, że jest to obraz niepełny. Wyniki prac na ten temat badacze opublikowali w PLOS Biology.

- Aby lepiej zrozumieć, jak fagi rozpoznają bakteryjne otoczki, wpadliśmy na pomysł swoistej archeologii wirusowej. Okazuje się, że bakterie często mają w sobie zakodowane uśpione wirusy, czyli resztki dawnych infekcji, które zamiast zniszczyć bakterię, wbudowały się w jej DNA i tam pozostały. Postanowiliśmy je przeszukać. Używając metod uczenia maszynowego, szukaliśmy statystycznych powiązań między białkami tych uśpionych wirusów a typem otoczki ich bakteryjnego gospodarza. Innymi słowy: która sekwencja białkowa „pasuje” do której bakteryjnej otoczki - wyjaśnił prof. Mostowy.

Wyniki okazały się zaskakujące, bo obok spodziewanych enzymów rozgryzających pancerz otoczki, w tym wielu nowych, badacze znaleźli zupełnie inną klasę białek - takich, które zamiast niszczyć pancerz, odcinają jego drobne chemiczne elementy.

- Wyobraźmy sobie, że otoczka bakterii to nie gładka ściana, ale ściana pokryta tysiącami małych haczyków. Niektóre wirusy ścianę wyburzają, a inne, jak odkryliśmy - po cichu odrywają haczyki. Mechanizm ten wystarczy, aby mogły dostać się do środka - opisał prof. Mostowy. — Zaczęliśmy od kodu. Komputer wskazał nam interesujące sekwencje DNA, my zamieniliśmy je w prawdziwe białka w laboratorium i okazało się, że działają - dodał.

W praktyce oznacza to, że fagi posługują się znacznie bogatszym zestawem narzędzi, niż dotąd sądzono. Ale dlaczego to ważne? Bo każdy nowo odkryty mechanizm rozpoznawania bakteryjnej otoczki to potencjalnie nowe narzędzie terapeutyczne - coś, co można zaprojektować, zmodyfikować i skierować przeciwko konkretnym, opornym szczepom. - Bakterie nieustannie ewoluują i zmieniają swoje otoczki. My musimy za nimi nadążać. Im więcej wiemy o tym, jak fagi radzą sobie z tą różnorodnością, tym lepiej jesteśmy przygotowani na kolejne inwazje - podsumował prof. Rafał Mostowy.

Historię fagów badacze postanowili opowiedzieć też w niecodzienny sposób, za pomocą komiksu: https://mostowylab.com/media/comic-pl.jpg. Twórcą komiksu jest rysownik Paweł Piechnik.

Badania zostały dofinansowane przez Narodowe Centrum Nauki, Narodową Agencję Wymiany Akademickiej oraz European Molecular Biology Organisation, a komiks również przez Narodowe Centrum Nauki.

Nauka w Polsce

ekr/ agt/