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

Efter mere end to år med COVID-19-pandemien, kan du forestille dig en virus som en grim spidskugle – en tankeløs morder, der kommer ind i en celle og kaprer sit maskineri for at skabe en gazillion kopier af sig selv, før den bryder ud. For mange vira, inklusive coronavirus, der forårsager COVID-19, er "mindless killer"-epitetet i det væsentlige sandt.

Men der er mere ved virusbiologi, end man kan se.

Tag HIV, den virus, der forårsager AIDS. HIV er et retrovirus, der ikke går direkte på drabstogt, når det trænger ind i en celle. I stedet integrerer den sig selv i dine kromosomer og kuldegysninger og venter på det rigtige tidspunkt til at beordre cellen til at lave kopier af den og briste ud for at inficere andre immunceller og til sidst forårsage AIDS.

Præcis hvilket øjeblik hiv venter på, er stadig et aktivt studieområde. Men forskning i andre vira har længe antydet, at disse patogener kan være ret "tænksomme" med hensyn til at dræbe. Selvfølgelig kan vira ikke tænke, som du og jeg gør. Men som det viser sig, har evolutionen udstyret dem med nogle ret komplicerede beslutningsmekanismer. Nogle vira vil for eksempel vælge at forlade den celle, de har opholdt sig i, hvis de opdager DNA-skade. Ikke engang virus, ser det ud til, kan lide at opholde sig i et synkende skib.

Mit laboratorium har studeret den molekylære biologi af bakteriofager, eller fager for korte, de vira, der inficerer bakterier, i over to årtier. For nylig har mine kolleger og jeg vist, at fager kan lytte efter centrale cellulære signaler for at hjælpe dem i deres beslutningstagning. Endnu værre, de kan bruge cellens egne "ører" til at lytte for dem.

Undslippende DNA-skade

Hvis din fjendes fjende er din ven, er fager bestemt dine venner. Fager kontrollerer bakteriepopulationer i naturen, og klinikere bruger dem i stigende grad til at behandle bakterielle infektioner, der ikke reagerer på antibiotika.

Den bedst undersøgte fag, lambda, virker lidt ligesom HIV. Ved indtræden i bakteriecellen beslutter lambda, om den skal replikere og dræbe cellen direkte, som de fleste vira gør, eller om at integrere sig selv i cellens kromosom, som HIV gør. Hvis sidstnævnte, replikerer lambda harmløst med sin vært, hver gang bakterierne deler sig.

Men ligesom hiv sidder lambda ikke bare stille. Den bruger et særligt protein kaldet CI som et stetoskop til at lytte efter tegn på DNA-skade i bakteriecellen. Hvis bakteriens DNA bliver kompromitteret, er det dårlige nyheder for lambda-fagen, der er indlejret i den. Beskadiget DNA fører direkte til evolutionens losseplads, fordi det er ubrugeligt for den fag, der har brug for den til at formere sig. Så lambda tænder for sine replikationsgener, laver kopier af sig selv og bryder ud af cellen for at lede efter flere ubeskadigede celler at inficere.

Tap på cellens kommunikationssystem

Nogle fager, i stedet for at samle information med deres egne proteiner, skal du trykke på den inficerede celles helt egen DNA-skadesensor:LexA.

Proteiner som CI og LexA er transkriptionsfaktorer, der tænder og slukker gener ved at binde sig til specifikke genetiske mønstre i DNA-instruktionsbogen, som er kromosomet. Nogle fager som Coliphage 186 har fundet ud af, at de ikke har brug for deres eget virale CI-protein, hvis de har en kort DNA-sekvens i deres kromosomer, som bakteriel LexA kan binde sig til. Efter at have opdaget DNA-skade vil LexA aktivere fagens replikere-og-dræbe gener, og i det væsentlige dobbeltkrydse cellen til at begå selvmord, samtidig med at fagen tillader at undslippe.

Forskere rapporterede første gang CI's rolle i fagbeslutningstagning i 1980'erne og Coliphage 186's kontraintelligens-trick i slutningen af ​​1990'erne. Siden da har der været et par andre rapporter om fager, der aflytter bakterielle kommunikationssystemer. Et eksempel er fag phi29, som udnytter værtens transkriptionsfaktor til at detektere, hvornår bakterien gør sig klar til at generere en spore eller en slags bakterieæg, der er i stand til at overleve ekstreme miljøer. Phi29 instruerer cellen i at pakke sit DNA ind i sporen og dræbe de spirende bakterier, når sporen spirer.

I vores nyligt offentliggjorte forskning viser mine kolleger og jeg, at flere grupper af fager uafhængigt har udviklet evnen til at udnytte endnu et bakterielt kommunikationssystem:CtrA-proteinet. CtrA integrerer flere interne og eksterne signaler for at sætte gang i forskellige udviklingsprocesser hos bakterier. Nøglen blandt disse er produktionen af ​​bakterielle vedhæng kaldet flagella og pili. Det viser sig, at disse fager binder sig til bakteriernes pili og flageller for at inficere dem.

Vores førende hypotese er, at fager bruger CtrA til at gætte, hvornår der vil være nok bakterier i nærheden, der sporter pili og flageller, til at de let kan inficere. Et ret smart trick til en "mindless morder."

Det er ikke de eneste fager, der træffer omfattende beslutninger - alt sammen uden fordelen ved selv at have en hjerne. Nogle fager, der inficerer Bacillus bakterier producerer et lille molekyle, hver gang de inficerer en celle. Fagerne kan fornemme dette molekyle og bruge det til at tælle antallet af faginfektioner, der finder sted omkring dem. Ligesom fremmede angribere hjælper denne optælling med at beslutte, hvornår de skal tænde for deres repliker-og-dræb-gener, og dræber kun, når der er relativt mange værter. På denne måde sørger fagerne for, at de aldrig løber tør for værter for at inficere og garantere deres egen langsigtede overlevelse.

Bekæmpelse af viral kontraintelligens

Du undrer dig måske over, hvorfor du skal bekymre dig om kontraintelligens-operationerne, der drives af bakterielle vira. Mens bakterier er meget forskellige fra mennesker, er de vira, der inficerer dem, ikke så forskellige fra de vira, der inficerer mennesker. Stort set hvert eneste trick, der spilles af fager, har senere vist sig at blive brugt af menneskelige vira. Hvis en fag kan trykke på bakterielle kommunikationslinjer, hvorfor ville en menneskelig virus så ikke trykke på din?

Indtil videre ved forskerne ikke, hvad menneskelige vira kunne lytte efter, hvis de kaprer disse linjer, men masser af muligheder kommer til at tænke på. Jeg tror på, at humane vira, ligesom fager, potentielt kunne være i stand til at tælle deres antal for at strategisere, detektere cellevækst og vævsdannelse og endda overvåge immunresponser. For nu er disse muligheder kun spekulationer, men videnskabelig undersøgelse er i gang.

At have vira, der lytter til dine cellers private samtaler, er ikke det mest rosenrøde af billeder, men det er ikke uden en guldkant. Som efterretningstjenester over hele verden godt ved, virker kontraefterretning kun, når den er skjult. Når først det er opdaget, kan systemet meget nemt udnyttes til at give din fjende misinformation. På samme måde tror jeg, at fremtidige antivirale terapier kan være i stand til at kombinere konventionelt artilleri, som antivirale midler, der forhindrer viral replikation, med informationskrigsførelse, såsom at få virussen til at tro, at den celle, den er i, tilhører et andet væv. + Udforsk yderligere

Virus er både livets skurke og helte, som vi kender det

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.