Interaktioner mellem simple molekylære mekanismer giver anledning til kompleks infektionsdynamik

Bakterie, som forårsager infektioner, kan selv blive inficeret af vira kaldet bakteriofager. Ligesom ikke alle bakterier er skadelige for mennesker, ikke alle vira er skadelige for bakterier, og nogle kan endda gavne dem. Kan bakterier skelne mellem gode og dårlige vira? Et tværfagligt team af forskere ved Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) undersøgte, hvordan infektioner med potentielt gavnlige vira udspiller sig i bakterier, der bærer en bestemt type antiviral immunmekanisme kaldet restriktionsmodifikation (RM). De viser, at interaktioner på befolkningsniveau mellem vira og bakterier får infektionen til at fortsætte på en måde, der kompenserer for den iboende ulempe ved individuelle celler og gør det muligt for immunbakterier at erhverve mange flere gavnlige vira på lang sigt. Dette er resultatet af en undersøgelse offentliggjort i Naturøkologi og evolution . Undersøgelsen blev udført af Maros Pleska, en ph.d. -studerende og Moritz Lang en postdoc i gruppen af ​​Celin Guet ved IST Austria, samt samarbejdspartnere Dominik Refardt ved Zurich University of Applied Sciences og Bruce Levin ved Emory University.

Mange vira replikerer simpelthen inde i bakterier, og sådanne infektioner, som normalt resulterer i døden af ​​den inficerede bakterie, kaldes lytiske. Imidlertid, nogle vira, kaldes tempererede vira, kan tage en blidere tilgang:Under lysogene infektioner, den tempererede viruss genetiske information integreres i den inficerede bakteries genetiske information og forbedrer dermed bakterierepertoiret. Eksempler på gener, som spredes blandt bakterier af tempererede vira, omfatte farlige toksiner såsom shigatoksin, kolera toksin, eller botulinumtoksin. Imidlertid, der er en fangst for bakterierne, da tempererede vira både kan dræbe eller integreres i deres værter, og beslutningen om, hvordan infektionen forløber, træffes på en tilsyneladende tilfældig måde.

Det er velkendt, at mange bakterier beskytter sig mod dødelige lytiske infektioner ved at bære immunitetsmekanismer, såsom restriktionsmodifikationssystemer (RM), der skærer viralt DNA. Hvad der ikke vides er, hvordan disse primitive immunsystem påvirker bakteriers evne til at erhverve potentielt gavnlige vira i lysogeniprocessen. Kan RM -systemer skelne mellem lytiske og lysogene infektioner, eller handler de mere generelt? Og mens du beskytter bakterier mod døden, forhindrer de også dem i at erhverve gavnlige vira? Pleska, Lang og deres kolleger kombinerede eksperimenter og teori for at undersøge dette spørgsmål.

Som et første skridt, forskerne kiggede på, hvad der sker med individuelle bakterier, der bærer RM -systemer, når de inficeres med tempererede vira. De fandt ud af, at RM -systemet altid forsøgte at forhindre infektion, uanset om infektionen var på vej mod lyse eller lysogeni. Fra dette, konklusionen er, at som en utilsigtet omkostning ved at forhindre bakterier i at lyse, RM -systemer er også en barriere for erhvervelse af virale gener.

Imidlertid, et meget anderledes resultat fremkom, da forskerne undersøgte, hvad der sker på bakteriepopulationens niveau. De blandede et stort antal bakterier med et stort antal bakteriofager, og kiggede på, hvor mange bakterier der erhvervede virale gener på lang sigt. Baseret på det tidligere resultat, forskerne forventede, at vira ville integrere meget sjældnere i bakterier med RM -systemer, sammenlignet med bakterier uden denne immunitetsmekanisme. Imidlertid, det modsatte skete - flere vira havde integreret sig i bakterier, der forventedes at være immune.

Begrænsnings-modifikationssystemer tilbyder midlertidigt pusterum

Hvad er forklaringen på dette kontraintuitive resultat? Forskerne fandt ud af, at i stedet for helt at forhindre infektioner, RM -systemer udsætter blot infektionen, giver bakteriepopulationen tid til at vokse, indtil vira bryder igennem barrieren og infektionen rammer helt. Mens lysering er hyppigere i små bakteriepopulationer, og mange bakterier bliver dræbt, hvis befolkningen tidligt er inficeret, lysogeni bliver mere udbredt i store bakteriepopulationer, at gøre bakterier, der senere bliver inficeret, mere tilbøjelige til at erhverve virussen i stedet for at blive dræbt af den. RM -systemer tilbyder derfor et midlertidigt pusterum, kun at beskytte bakteriepopulationer mod den farligste infektionsfase, uden at begrænse de potentielle fordele.

Er en ny ukendt molekylær mekanisme ansvarlig for denne adfærdskifte? Ingen, siger første forfatter Maros Pleska:"Det mest spændende fund er, at vi faktisk slet ikke skulle finde nogen ny mekanisme. Det, vi observerer, er alt sammen en simpel konsekvens af befolkningsdynamikken for interaktioner mellem bakterier og vira."

Dette resultat er et afslag for dem, der søger at forudsige befolkningers adfærd på længere sigt fra biologi af individuelle molekylære komponenter, Pleska forklarer:"Den grundlæggende biologi for alle elementerne i vores system var kendt som RM -systemer og vira, vi kiggede på, er nogle af de bedst forståede molekylære systemer, vi kender. Ikke desto mindre, denne undersøgelse illustrerer, hvor håbløse vi er, når det kommer til at bruge denne viden på molekylært niveau til at forudsige den dynamik, der opstår, efter at vi har sat enkelte stykker sammen. Faktisk, vores observationer løb helt modsat hvad nogen ville forvente. Dermed, økologiske og evolutionære interaktioner mellem selv de enkleste biologiske elementer kan være meget komplekse, og vi har brug for nye måder at se på dem, hvis vi nogensinde vil forstå deres rolle i naturen. "