Біолог Костянтин Северинов про свою роботу з імунітету бактерій та бактеріофагам
Про дослідження в «найгарячішій» галузі сучасної мікробіології, які дозволять боротися з небажаними бактеріями, «Газете.Ru» розповів Костянтин Северинов, завідувач лабораторій Інституту молекулярної генетики РАН та Інституту біології гена РАН, професор Університету Ратгерса (США).
— З чим пов'язаний інтерес до вивчення процесів імунітету у бактерій? За сучасними оцінками,
кількість бактерій Землі близько 10 28 клітин, а кількість бактеріофагів близько 10 30 штук.
Це величезні числа, що на багато порядків перевершують кількість всіх багатоклітинних організмів, що коли-небудь існували на планеті. Незважаючи на те, що кількість бактеріофагів істотно перевищує кількість бактерій, кількість жертв (бактерій) та паразитів (бактеріофагів) в цілому залишається незмінною. Відбувається це тому, що бактерії використовують цілу низку механізмів для обмеження або повного запобігання зараженню бактеріофагами. Бактеріофаги, своєю чергою, постійно шукають способи подолання такої стійкості. Ця еволюційна «перегонка озброєнь» у планетарному масштабі ніколи не припиняється; результатом її є більш-менш стійка рівновага та величезна різноманітність механізмів стійкості бактерій до бактеріофагів і, навпаки, способів, за допомогою яких бактеріофаги долають захисні механізми бактерій.
Віруси проти бактерій
— У чому принципова відмінність «бактеріального імунітету» від традиційних систем боротьби з вірусами?— Одним із поширених механізмів стійкості до бактеріофагів є бактеріальні системи рестрикції-модифікації. Вивчення цих систем наприкінці60-х років минулого століття призвело до розвитку методів молекулярного клонування та багато в чому зумовило швидкий розвиток сучасних наук про життя та біотехнологічну промисловість. Нещодавно була виявлена ще одна універсальна система, за допомогою якої бактерії борються з бактеріофагами. Називається ця система CRISPR. Дивовижною властивістю CRISPR-систем є те, що вони діють строго за ламарківським принципом, забезпечуючи адаптивний успадкований імунітет бактерій до бактеріофагів.
200 років тому Ламарк припустив, що довкілля визначає форму та організацію тварин, а набуті під впливом середовища ознаки (адаптації) успадковуються.
Дарвін запропонував інший механізм виникнення біологічної різноманітності, який у ХХ столітті став загальноприйнятим, якщо не вважати окремі фриківські «викиди» на кшталт Лисенківщини. Виявилося, що CRISPR-системи є ламарківськими, адаптивними, а не дарвінівськими. Під час зараження деякі бактерії виживають через те, що короткі фрагменти ДНК бактеріофага (довжиною 30 пар нуклеотидів) вбудовуються в спеціальну ділянку CRISPR (локус) бактеріальної хромосоми. Клітини, у яких відбулося таке вбудовування, стають стійкими до повторного зараження бактеріофагом. Відбувається це тому, що, за умови повної відповідності послідовностей ДНК CRISPR-локусу та ДНК бактеріофага, остання знищується.
«Ламарковість» CRISPR-систем полягає в тому, що стійкість спочатку може виникнути тільки під час зараження (тобто при зміні умов навколишнього середовища), але при цьому успадкована, тому що всі нащадки клітини, яка вбудовала фрагмент ДНК бактеріофага в CRISPR- локус залишаються стійкими до зараження.
З двох паразитів обрано меншого
У деякихСучасні бактерії CRISPR-локуси містять сотні вбудованих фрагментів ДНК різних бактеріофагів, що забезпечує дуже широкий спектр множинної стійкості. Бактеріофаги «минають» стійкість, викликану CRISPR-системами, змінюючи послідовність свого геному. Навіть одиничної мутації, що порушує повну відповідність між ДНК бактеріофага та ДНК із CRISPR-локусу, достатньо для того, щоб зробити клітину чутливою до зараження.
— Чи існують аналогічні механізми адаптації у більш складних — багатоклітинних — організмів? Крейг Мелло отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини. Явище РНК-інтерференції у тому, що активність багатьох генів може бути «погашена» у присутності малих молекул РНК (довжиною 20–30 нуклеотидів), послідовність яких збігаються з ділянками послідовності цих генів.
Досі вважалося, що РНК-інтерференція — це явище, характерне лише вищих організмів, чиї клітини містять ядро.
Дослідження CRISPR-систем - "найгарячіша" область сучасної мікробіології.
Зараз навіть дивно думати, що п'ять-шість років тому про ці системи майже нічого не було відомо, вони навіть не мали назви.
Перебір усіх не цілком «правильних» ситуацій потребує часу, а пошук послідовності-мішені має бути дуже швидким, інакше бактеріофаг почне розмножуватись — і клітина неминуче загине.
Вірус уб'є туберкульоз
Виявилося, що природа вирішила цю проблему дуже природним та елегантним способом, «розклавши» порівнювані послідовності з 30 нуклеотидів на фрагменти та перевіряючинаявність повної відповідності таких коротких фрагментах. При цьому перевірка відповідності відбувається за ієрархічним принципом, тобто якщо немає точної відповідності на першому найголовнішому фрагменті, який ми назвали seed sequence, то подальшої перевірки не відбувається, а починається пошук нової послідовності-мішені.
- Чи є прикладні аспекти у виявленого механізму адаптивного імунітету? Наприклад,
змінивши специфічність впізнавання послідовності-мішені, можна намагатися викликати «аутоімунну» реакцію – змусити бактерій знищити себе.
Іншим прикладом є молочна промисловість, де зараження бактеріофагами призводить до мільярдних збитків під час виробництва сирів та інших кисломолочних продуктів. Фахівці датської фірми Danisco, які кілька років тому вперше описали захисну функцію CRISPR-систем, цього року вивели на європейський ринок новий бренд молочних продуктів CRISPEX, отриманих за допомогою лактобактерій, стійких до всіх відомих бактеріофагів за рахунок спеціально відібраних CRISPR-локусів.
«Загалом конкурс із мегагрантів вдався»
— Ви брали участь у першій хвилі конкурсу«мегагрантів», але не увійшли до числа переможців. Чи плануєте ви брати участь у другій хвилі конкурсу? — Так, я братиму участь. Як і минулого року, ми подаємо заявку із центром нанобіотехнології Санкт-Петербурзького державного політехнічного університету. Сама заявка зміниться дуже мало, переважно за рахунок опису нових результатів, отриманих з часу подання заявкина першу хвилю конкурсу. Пов'язано це з тим, що,
судячи з результатів минулорічної експертизи, нам просто нема чого покращувати, оскільки і українські, і міжнародні експерти одностайно зійшлися на тому, що наша заявка найвищого рівня, а проект, спрямований на вивчення еволюції, екології та експресії генів бактеріофагів бактерій, що мешкають у термальних джерелах , «приречений» на успіх.
Критики там просто не було. Тож програли ми з причин, не пов'язаних із науковою експертизою.
— Університет погодився з вами працювати, незважаючи на торішній негативний досвід?— Так, погодився. У СПбДПУ нещодавно змінився ректор. Я зустрічався з новим ректором – професором А. І. Рудським, і він повністю підтримує нашу заявку. Тим більше, що наша співпраця з Політехом довгострокова і розвиватиметься незалежно від того, отримаємо ми цей грант чи ні. У наших планах спільна наукова робота з використанням унікального парку приладів центру нанобіотехнологій, особливо лазерної пастки, яка дозволяє вивчати процес транскрипції ДНК на рівні окремих молекул, а також створення ЦКП та навчального центру – можливо, із залученням ресурсу Сколково та створюваного у Петербурзі фармкластера.