Wirusy infekujące bakterie są najliczniejszymi jednostkami biologicznymi na planecie. Na przykład niedawne proste badanie 92 głowic prysznicowych i 36 szczoteczek do zębów z amerykańskich łazienek wykazało ponad 600 rodzajów wirusów bakteryjnych, powszechnie nazywanych bakteriofagami lub fagami. Łyżeczka przybrzeżnej wody morskiej zawiera około 50 milionów fagów.
Choć w dużej mierze niezauważone, fagi nie szkodzą ludziom. Wręcz przeciwnie, wirusy te zyskują coraz większą popularność jako bioleki eliminujące bakterie chorobotwórcze, szczególnie te związane z infekcjami opornymi na antybiotyki.
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza, Doktor Gino Cingolani z Uniwersytetu Alabama w Birmingham i dr Federica Briani z Università degli Studi di Milano w Mediolanie we Włoszech opisali pełną strukturę molekularną faga DEV. DEV infekuje i powoduje lizę bakterii Pseudomonas aeruginosa, oportunistycznego patogenu wywołującego mukowiscydozę i inne choroby. DEV jest częścią eksperymentalnego koktajlu fagów opracowanego w celu eradykacji zakażenia P. aeruginosa w badaniach przedklinicznych.
Specyficzną cechą DEV jest obecność polimerazy RNA związanej z wirionem o długości 3398 aminokwasów wewnątrz kapsydu wydalanego do bakterii po zakażeniu. Nieoczekiwanie badanie Cingolani i Briani ujawniło, że polimeraza RNA związana z wirionem jest częścią silnika wyrzutowego genomu, który wyciąga DNA faga z głowy po tym, jak fag przyczepi się do powierzchni bakterii Pseudomonas za pomocą włókien ogona i przeniknie zewnętrzną i wewnętrzną błonę komórki za pomocą rurki ogonowej.
„Zakładamy, że zasady projektowania aparatu wyrzutowego DEV są zachowane u wszystkich fagów Schitoviridae” – powiedział Cingolani. „Według stanu na październik 2024 r. zsekwencjonowano ponad 220 genomów Schitoviridae i są one dostępne w publicznej bazie danych. Ponieważ genomy te są w dużej mierze pozbawione adnotacji, a wiele ramek otwartego odczytu ma nieznane funkcje, nasza praca toruje drogę do łatwej identyfikacji elementów strukturalnych podczas odkryto nowego faga Schitoviridae.”
Rodzina fagów Schitoviridae „reprezentuje jedne z najbardziej niedostatecznie zbadanych wirusów bakteryjnych w biologii, coraz częściej wykorzystywane w terapii fagowej” – powiedział Cingolani. „Korzystamy z biologii strukturalnej, aby rozszyfrować elementy składowe i odwzorować produkty genów. Jest to niezbędne, gdy sekwencja aminokwasów ewoluuje zbyt szybko, aby można było przeprowadzić konwencjonalną analizę filogenetyczną”.
Naukowcy wykorzystali rekonstrukcję zlokalizowaną za pomocą mikroskopii krioelektronowej, metody biochemiczne i nokauty genetyczne, aby opisać pełną architekturę molekularną DEV, którego genom DNA ma 91 otwartych ramek odczytu, które obejmują gigantyczną polimerazę RNA związaną z wirionem. „Ten vRNAP jest częścią operonu składającego się z trzech genów, konserwującego wszystkie analizowane przez nas genomy Schitoviridae” – powiedział Cingolani. „Proponujemy, że te trzy białka są wyrzucane do gospodarza, tworząc silnik wyrzutowy genomu obejmujący otoczkę komórkową”.
Struktura DEV i wielu innych fagów przypomina maleńką wersję lądownika księżycowego Neila Armstronga z 1969 r., z dużą głową, czyli kapsydem, zawierającym genom i włókna przypominające nogi, podtrzymujące faga lądującego na powierzchni bakterii, przygotowującego się do zakażać żywą komórkę bakteryjną.
Naukowcy określili strukturę wszystkich białkowych czynników kapsydu i składników ogona w DEV zaangażowanych w przyłączanie żywiciela. W drodze eksperymentów genetycznych wykazali, że włókna długiego ogona DEV są niezbędne do zakażenia P. aeruginosa, ale nie są potrzebne do zakażenia mutantów P. aeruginosa, których powierzchniowy lipopolisacharyd nie zawiera antygenu O. Ogólnie rzecz biorąc, wirusy przyłączają się do różnych cząsteczek na powierzchni komórki, co stanowi pierwszy etap infekcji.
Chociaż badanie to dostarczyło kilku nieruchomych obrazów struktury faga, badacze nie do końca rozumieją film przedstawiający infekcję DEV. Przewidują trzy etapy procesu infekcji.
W pierwszym etapie, gdy pojedynczy fag DEV dryfuje w izolacji, jego elastyczne włókna długiego ogona ulegają wahaniom, aby zwiększyć szansę dotknięcia powierzchniowej cząsteczki lipopolisacharydu Pseudomonas. Po pierwszym dotknięciu wszystkie pięć włókien przyczepia się, wiążąc faga prostopadle blisko zewnętrznej powierzchni bakterii.
W drugim etapie krótkie włókno ogonowe, które działa również jak czop ogonowy, dotyka wtórnego receptora u Pseudomonas i sygnał mechaniczny uwalnia czop ogonowy.
Do tego momentu trzy białka zwane gp73, gp72 i gp71 były przechowywane wewnątrz głowy faga w pobliżu jego ogona, a ich kształty radykalnie się zmienią, gdy opuszczą głowę faga. W trzecim kroku, gdy czop zniknie, trzy białka zostaną wydalone z główki do otoczki komórki bakteryjnej. Białko ołowiowe, gp73, ponownie składa swój kształt, tworząc pory błony zewnętrznej z pustym środkiem. Poniżej gp72 ponownie składa się w pustą rurkę, która obejmuje peryplazmę Pseudomonas, przestrzeń pomiędzy zewnętrzną błoną bakterii a jej wewnętrzną błoną. Na koniec gp71 przechodzi przez błonę wewnętrzną i ponownie fałduje się w duży silnik polimerazy RNA w cytoplazmie bakteryjnej, który wciąga DNA faga przez puste kanały gp73 i gp72 do komórki Pseudomonas.
Cingolani, profesor na Wydziale Biochemii i Genetyki Molekularnej, niedawno przybył do UAB, aby kierować nowym Centrum Integracyjnej Biologii Strukturalnej, zatwierdzonym tego lata przez Radę Powierniczą Uniwersytetu Alabama. Centrum pomoże badaczom z UAB badać trójwymiarowe struktury makrocząsteczek biologicznych, takich jak białka i kwasy nukleinowe, w celu rozszyfrowania ich funkcji i mechanizmów działania.
Integracyjna biologia strukturalna stara się wizualizować pełny film przedstawiający funkcjonowanie makrocząsteczek, wykorzystując wiele metod do oglądania struktur molekularnych i ich wzajemnych interakcji. Głównym celem Centrum Integracyjnej Biologii Strukturalnej UAB będzie badanie problemów biologicznych związanych z infekcjami, stanami zapalnymi, odpornością, nowotworami i neurodegeneracją.
