Ny forskning viser, at vira kan have øjne og ører på os

Ny UMBC-ledet forskning i Frontiers in Microbiology tyder på, at vira bruger information fra deres miljø til at "beslutte", hvornår de skal sidde tæt inde i deres værter, og hvornår de skal formere sig og bryde ud, hvilket dræber værtscellen. Arbejdet har betydning for udvikling af antivirale lægemidler.

En viruss evne til at fornemme sit miljø, herunder elementer produceret af dens vært, tilføjer "endnu et lag af kompleksitet til viral-vært-interaktionen," siger Ivan Erill, professor i biologiske videnskaber og seniorforfatter på det nye papir. Lige nu udnytter virus denne evne til deres fordel. Men i fremtiden, siger han, "kan vi udnytte det til deres skade."

Ikke en tilfældighed

Den nye undersøgelse fokuserede på bakteriofager - vira, der inficerer bakterier, ofte blot omtalt som "fager". Fagerne i undersøgelsen kan kun inficere deres værter, når bakteriecellerne har særlige vedhæng, kaldet pili og flageller, som hjælper bakterierne med at bevæge sig og parre sig. Bakterierne producerer et protein kaldet CtrA, der styrer, hvornår de genererer disse vedhæng. Det nye papir viser, at mange appendage-afhængige fager har mønstre i deres DNA, hvor CtrA-proteinet kan binde, kaldet bindingssteder. En fag med et bindingssted for et protein produceret af dens vært er usædvanligt, siger Erill.

Endnu mere overraskende er det, at Erill og avisens første forfatter Elia Mascolo, en ph.d. studerende i Erills laboratorium, fandt gennem detaljeret genomisk analyse, at disse bindingssteder ikke var unikke for en enkelt fag, eller endda en enkelt gruppe af fager. Mange forskellige typer fager havde CtrA-bindingssteder - men de krævede alle, at deres værter havde pili og/eller flageller for at inficere dem. Det kunne ikke være en tilfældighed, besluttede de.

Evnen til at overvåge CtrA-niveauer "er blevet opfundet flere gange gennem evolutionen af ​​forskellige fager, der inficerer forskellige bakterier," siger Erill. Når fjernt beslægtede arter viser en lignende egenskab, kaldes det konvergent evolution – og det indikerer, at egenskaben bestemt er nyttig.

Timing er alt

Endnu en rynke i historien:Den første fag, hvor forskerholdet identificerede CtrA-bindingssteder, inficerer en bestemt gruppe bakterier kaldet Caulobacterales. Caulobacterales er en særlig velundersøgt gruppe af bakterier, fordi de findes i to former:en "sværmere" form, der svømmer frit rundt, og en "stilket" form, der hæfter sig til en overflade. Sværmerne har pili/flagella, og stilkene har ikke. I disse bakterier regulerer CtrA også cellecyklussen og bestemmer, om en celle vil dele sig jævnt i to mere af samme celletype eller dele sig asymmetrisk for at producere en sværmer og en stilkcelle.

Fordi fagerne kun kan inficere sværmere celler, er det i deres bedste interesse kun at bryde ud af deres vært, når der er mange sværmerceller tilgængelige til at inficere. Generelt lever Caulobacterales i næringsfattige miljøer, og de er meget spredte. "Men når de finder en god lomme med mikrohabitat, bliver de til stalkede celler og formerer sig," siger Erill og producerer til sidst store mængder sværmere celler.

Så "Vi antager, at fagerne overvåger CtrA-niveauer, som går op og ned i løbet af cellernes livscyklus, for at finde ud af, hvornår sværmercellen bliver en stilkcelle og bliver en fabrik af sværmere," siger Erill, "og på det tidspunkt sprænger de cellen, fordi der vil være mange sværmere i nærheden til at inficere."

Lytter med

Desværre er metoden til at bevise denne hypotese arbejdskrævende og ekstremt vanskelig, så det var ikke en del af dette seneste papir - selvom Erill og kolleger håber at kunne tackle det spørgsmål i fremtiden. Forskerholdet ser dog ingen anden plausibel forklaring på proliferationen af ​​CtrA-bindingssteder på så mange forskellige fager, som alle kræver pili/flagella for at inficere deres værter. Endnu mere interessant, bemærker de, er implikationerne for vira, der inficerer andre organismer - selv mennesker.

"Alt, hvad vi ved om fager, hver eneste evolutionære strategi, de har udviklet, har vist sig at oversætte til vira, der inficerer planter og dyr," siger han. "Det er næsten givet. Så hvis fager lytter til deres værter, er de vira, der påvirker mennesker, nødt til at gøre det samme."

Der er et par andre dokumenterede eksempler på fager, der overvåger deres miljø på interessante måder, men ingen inkluderer så mange forskellige fager, der anvender den samme strategi mod så mange bakterielle værter.

Denne nye forskning er den "første brede demonstration af, at fager lytter til, hvad der foregår i cellen, i dette tilfælde med hensyn til celleudvikling," siger Erill. Men flere eksempler er på vej, forudser han. Allerede er medlemmer af hans laboratorium begyndt at lede efter receptorer for andre bakterielle regulatoriske molekyler i fager, siger han - og de er ved at finde dem.

Nye terapeutiske veje

Det vigtigste ved denne forskning er, at "virussen bruger cellulær intelligens til at træffe beslutninger," siger Erill, "og hvis det sker i bakterier, sker det næsten helt sikkert i planter og dyr, for hvis det er en evolutionær strategi, der giver mening, evolutionen vil opdage det og udnytte det."

For at optimere sin strategi for overlevelse og replikation vil en dyrevirus for eksempel måske gerne vide, hvilken slags væv den er i, eller hvor robust værtens immunrespons er over for dens infektion. Selvom det kan være foruroligende at tænke på al den information, virus kan indsamle og muligvis bruge til at gøre os mere syge, åbner disse opdagelser også veje for nye terapier.

"Hvis du udvikler et antiviralt lægemiddel, og du ved, at virussen lytter til et bestemt signal, så kan du måske narre virussen," siger Erill. Det er dog flere skridt væk. For nu, "Vi er lige begyndt at indse, hvor aktivt vira har øjne på os - hvordan de overvåger, hvad der foregår omkring dem og træffer beslutninger baseret på det," siger Erill. "Det er fascinerende." + Udforsk yderligere

Nogle mikrober ligger på lur, indtil deres værter ubevidst giver dem signalet om at begynde at formere sig og dræbe dem