Kiedy zainfekowane bakterie dokonują seppuku: zbadano niezwykłe białka

PRZEPISY NA PRZEPISY

DNA można traktować jako książkę kucharską, w której zapisane są przepisy na życie, a konkretnie - na różne białka, czyli małe maszynki, które budują komórkę i wykonują w niej całą pracę. Taki przepis jest najpierw tłumaczony do postaci innego kwasu nukleinowego – RNA, które potem produkuje białko. Istnieją jednak takie szczególne białka (fachowo nazywane odwrotnymi transkryptazami), które potrafią dokonać odwrotnego tłumaczenia – na podstawie RNA produkować DNA kodujące tę samą informację (a więc o analogicznej sekwencji). Okazuje się jednak, że istnieją też takie wyspecjalizowane odwrotne transkryptazy, które samodzielnie produkują długie łańcuchy DNA o przypadkowej sekwencji.

Do takich białek należą bakteryjne białka AbiK, które wzięli na warsztat badacze z zespołu prof. Marcina Nowotnego z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej. Ich praca – opublikowana w prestiżowym Nucleic Acids Research  – doceniona została jako najlepsza praca roku nagrodą im. Jakuba Karola Parnasa Polskiego Towarzystwa Biochemicznego. Naukowcy po raz pierwszy opisali strukturę, czyli budowę przestrzenną na poziomie pojedynczych atomów, takiego białka.

RAJSKI PTAK WŚRÓD BIAŁEK

"Ten enzym jest jak rajski ptak wśród białek. Owszem, można badać znacznie łatwiejsze do obserwacji bociany czy jaskółki, ale kiedy odkrywamy zwyczaje godowe rajskich ptaków, to odnosimy wrażenie, że otwiera się przed nami nowy, fascynujący świat. Podobnie jest z tymi białkami! To istny nowy kosmos!" - opisuje w rozmowie z Nauką w Polsce prof. Marcin Nowotny, ubiegłoroczny laureat Nagrody FNP.

(Zwyczaje godowe rajskich ptaków można zobaczyć tutaj).

Pierwsza autorka pracy – i pomysłodawczyni projektu – dr Małgorzata Figiel - tłumaczy, że białka AbiK produkowane są m.in. przez bakterie Lactococcus lactis świetnie znane choćby w przemyśle mleczarskim. Bakterie te produkują białko AbiK w odpowiedzi na atak wirusów. 

HONOROWE SAMOBÓJSTWO JEDNOKOMÓRKOWCÓW

Przepisy, na podstawie których powstają białka AbiK, nie są przepisami na życie, ale wręcz przeciwnie: przepisami na śmierć własnej komórki. Kiedy enzym ten zostaje uruchomiony, zaczyna wypluwać w środku komórki "spaghetti" z DNA. A w wyniku tego - komórka obumiera. Białko to jest więc narzędziem, za pomocą którego komórka bakteryjna dokonuje samobójczej śmierci. 

To element wojny, która toczy się między bakteriami a wirusami - bakteriofagami, które wykorzystują bakterie jako wehikuł, aby się namnożyć. Bakteria, kiedy wykryje, że została zainfekowana przez wrogiego wirusa, ma do wyboru: umrzeć w wyniku infekcji, rozsiewając przy okazji śmierć wśród innych bakterii; albo popełnić honorowe samobójstwo zanim namnożą się w niej wirusy śmiercionośne dla całej kolonii. I okazuje się, że w toku ewolucji promowana była druga możliwość. Może trudno więc to sobie wyobrazić, ale nawet jednokomórkowy organizm taki jak bakteria bywa zdolny do bohaterskiego altruizmu: jest w stanie dokonać seppuku (w dawnej Japonii honorowe rozprucie sobie brzucha), aby ochronić swoich współbraci.

Na razie jest jeszcze sporo niewiadomych, jeśli chodzi o działanie tego białka, np. trzeba jeszcze wyjaśnić, co sprawia, że białko rozpoczyna działanie i jak pojawienie się spaghetti z DNA doprowadza do śmierci komórki.

BIAŁKOWE DRUKARECZKI

Dzięki pracy Polaków wiadomo już jednak, jakie kształty przyjmuje to białko w różnych etapach swojej pracy.

"To było niezwykłe! Zobaczyliśmy te białka m.in. w momencie, kiedy jeszcze przyczepione było do niego DNA" - opowiada prof. Nowotny.

A dr Małgorzata Figiel wspomina: “pomyślałam, że te struktury produkujące DNA wyglądały jak jakiś latający potwór spaghetti”. Tłumaczy, że było to sześć jednakowych polimeraz połączonych w jedną kulkę. Struktury te były “przytulone” do siebie i wypluwały wszystkie na raz nici z DNA. “To była piękna, symetryczna i kompletnie nietypowa struktura” - opowiada.

"Takiej struktury nie udałoby się ustalić, gdybyśmy korzystali jedynie z propozycji sztucznej inteligencji - programu AlphaFold, który podpowiada możliwą strukturę białka” - tłumaczy prof. Nowotny. Ale dodaje, że zespół bardzo chętnie korzysta z pomocy AI – dzięki zastosowaniu tych metod praca nad nową strukturą zabiera teraz znacznie mniej czasu.

"My po raz pierwszy pokazaliśmy na poziomie molekularnym działanie tego niezwykłego enzymu, który syntetyzuje DNA sam z siebie. Nie potrzebuje matrycy, czyli innego kwasu nukleinowego (DNA czy RNA), który służy za wzór” - mówi prof. Nowotny.

A dr Figiel dodaje, że nie wymaga też tzw. „startera" - fragmentu "rozruchowego" od którego rusza produkcja DNA i który jest niezbędny dla innych odwrotnych transkryptaz. Zamiast tego białko rozpoczyna produkcję DNA od przyczepienia jego pierwszej cegiełki do samego siebie.

Badaczka zwraca uwagę, że podobnie rozpoczynają tkanie DNA odwrotne transkryptazy wirusa HBV powodującego wirusowe zapalenie wątroby typu B. Takie tworzenie DNA to kluczowy moment infekcji. Niestety takich wirusowych drukarek DNA od dziesięcioleci nie udało się opisać. “Zaczęłam więc szukać białek, które działałaby podobnie do tych wirusowych. I właśnie dzięki temu wpadłam na trop tego ‘kosmicznego’ białka AbiK w bakteriach mlekowych”- opowiada.

ENZYMATYCZNE ŻYŁY ZŁOTA

DNA wypluwane przez białko AbIK ma losowy układ - “literki” tworzące nić DNA nie mają więc jakiejś z góry zadanej konkretnej kolejności.

Badacze liczą na to, że takie białkowe drukarki DNA uda się tak zmodyfikować, aby drukowały DNA o z góry wyznaczonej sekwencji. Enzymatyczne drukarki DNA to bowiem rozwijająca się dziedzina wiedzy, która ma szeroki wachlarz zastosowań.

Kolejnym pomysłem jest wykorzystanie białka AbiK w walce z infekcjami bakteryjnymi. Jeśli uda się znaleźć sposób na uruchomienie białka AbiK, być może uda się zainicjować samobójczą śmierć bakterii. Tym sposobem można byłoby wykorzystać ten mechanizm nie po to, aby zapewnić przetrwanie kolonii bakterii, ale wręcz przeciwnie - doprowadzić do masowego samobójstwa bakterii i obrony skolonizowanego przez nie organizmu - np. w terapii infekcji bakteriami antybiotykoopornymi.

“Badania nad białkami uczestniczącymi w obronie bakterii przed wirusami to eksplodująca dziedzina nauki, to żyła złota” - tłumaczy prof. Nowotny. I dodaje, że jednym z białek tego typu było białko Cas9 - element przełomowego, nagrodzonego Noblem systemu CRISPR - powszechnie używanego już w laboratoriach do edycji genów.

“Nie jest więc tak, że nasze badania są oderwane od rzeczywistości. Liczymy na to, że wiedzę tę można będzie wykorzystać, aby budować narzędzia o gigantycznym potencjale” - podsumowuje dr Figiel.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/