دو مطالعه منتشر شده در Science در این ماه نشان میدهد که ویروس ها باکتری ها و همچنین مردم را آزار میدهند و برخی از باکتری ها چیزی را که یکی از دانشمندان «مکانیسم مولکولی دیوانه» می نامد برای دفاع از خود به کار میگیرند. باکتری ها یک ژن کاملاً جدید را تداعی می کنند که به طور معمول در کارنامه آنها نیست. این ژن که توسط هر دو گروهی که آن را کشف کردند، neo نامیده اند، سپس پروتئینی تولید می کند که مهاجمان ویروسی را مهار می کند.
آد برنهایم، میکروبیولوژیست از انستیتو پاستور، که به این تحقیق مرتبط نبود، میگوید: “اگرچه این مکانیسم عجیب به نظر میرسد، اما «این مقالات عالی هستند. هر دو شواهد بسیار قانع کننده ای دارند.”
این یافته ها جدیدترین چالش را در برابر این تصور نادرست ارائه میکند که اطلاعات ژنتیکی تنها از یک راه – از DNA گرفته تا RNA گرفته تا پروتئین ها – جریان دارد و این احتمال را افزایش میدهد که ژن های رمزی مشابه در کمین موجودات دیگر، حتی انسان ها نیز وجود داشته باشد.
مطالعات نشان می دهد که برای جمع آوری ژن جدید خود، باکتری ها از آنزیم هایی به نام ترانس کریپتاز معکوس استفاده می کنند که یک مکانیسم سلولی کلیدی را معکوس می کند. سلولها معمولاً با اطلاعات کدگذاری شده در DNA ژن شروع میشوند تا مولکولهای RNA بسازند، مانند RNAهای پیامرسان (mRNAs) که دستورالعملهای سنتز پروتئین را حمل میکنند.
اما رونوشت های معکوس میتوانند این فرآیند را تغییر دهند و نسخه های DNA مولکولهای RNA را تولید کنند. این آنزیم ها که در ویروس های ایجادکننده تومور کشف شده اند، به HIV اجازه میدهند تا سلولهای انسانی را کنترل کند. با این حال، بسیاری از باکتری ها نیز رونوشته ای معکوس میسازند، و کار جدید نشان میدهد که چگونه حداقل یک نوع باکتری از آنها برای تغییر جدول روی ویروس های معروف به فاژها استفاده میکند.
تحقیقات
دو گروه از محققانی که این پیچ و تاب را کشف کردند به طور مستقل در تلاش برای درک مکانیسم دفاعی مرموز آنتی فاژی بودند که در سال 2020 توسط زیست شناس مولکولی فنگ ژانگ از موسسه فناوری ماساچوست که به پیشگام ویرایشگر ژن CRISPR و همکارانش در باکتری های خاص شناسایی شد.
DNA باکتریایی که این سیستم حفاظتی را کد می کند شامل دنباله ای برای یک مولکول RNA کوتاه است که به نظر نمی رسید به پروتئین ترجمه شود. همچنین حاوی ژن ترانس کریپتاز معکوس بود.
استفان تانگ، دانشجوی دکترا در دانشگاه کلمبیا می گوید: “رمز و راز این بود که چگونه می تواند آنزیمی که DNA را می سازد مسئول دفاع از فاژ باشد؟”
تانگ، همراه با مشاورش ساموئل استرنبرگ، رهبری یکی از گروه های تحقیقاتی را بر عهده داشت که اکنون آن معما را حل کرده است. ژانگ و محقق فوق دکتری او مکس ویلکینسون تیم دوم را رهبری کردند. هر گروه DNA کد کننده سیستم حفاظتی را از یک باکتری روده به باکتری اشریشیا کولای استوار آزمایشگاهی منتقل کردند، باکتری که دستکاری آن آسان تر است. آنها دریافتند که سلول های E. coli از ترانس کریپتاز معکوس برای ایجاد نئو – یک کپی DNA از بخش گیج کننده RNA کوتاه – در هنگام حمله فاژها استفاده می کنند.
اما DNA عجیب بود و معمولاً شامل تعداد زیادی نسخه از یک توالی – گاهی بیش از 100 – در کنار هم بود. رونوشت معکوس معمولاً یک رشته RNA را پس از اتمام کپی DNA رها می کند، اما در E. coli مهندسی شده، ظاهراً آنزیم بارها و بارها به ابتدای رشته بازگشته است، گویی آهنگی را تکرار می کند.
ویلکینسون میگوید: “مدت درباره این تکرار فکر می کردم.”
توضیح احتمالی در این است که چگونه سلول ها DNA یک ژن را برای ساخت پروتئین می خوانند. برای تولید mRNA مورد نیاز، دسته ای از پروتئین ها ابتدا باید بر روی یک ناحیه DNA به نام پروموتر که در نزدیکی ژن قرار دارد، فرود آیند.
مبارزه با ویروس ها
در نئو، هر قطعه تکرار شده حاوی دو قطعه از یک پروموتر است، اما آنها در انتهای مخالف بخش قرار دارند. ویلکینسون، ژانگ و همکارانش گزارش دادند که با پیوند دادن تکرارها از سر به انتها در یک قطعه پیوسته از DNA، باکتری ها یک پروموتر کار را از دو قطعه جدا از هم جمع می کنند.
آن پروموتر و DNA مجاور که به تازگی از RNA ساخته شده است، می تواند به عنوان یک ژن کد کننده پروتئین معمولی عمل کند. تانگ و همکارانش در 9 آگوست در Science فاش کردند که این پروتئین تنها زمانی ساخته می شود که باکتری ها مورد حمله قرار می گیرند، پروتئین سلول ها را به حالت خفتگی وادار می کند، که مانع از تولید مثل فاژها در داخل آنها می شود.
تانگ می گوید: “اگر میزبان خاموش شود، ویروس هیچ منبعی برای تکثیر خود ندارد.این که چرا سلول ها به جای اینکه همیشه پروتئین ضد ویروسی را تولید کنند، به این سیستم پیچیده روی می آورند، هنوز مشخص نیست. یک احتمال این است که پروتئین نئو آنقدر قوی است که حتی سلول های سالم را هم از کار می اندازد، بنابراین باکتری ها آن را فقط در زمان بحران فعال می کنند.”
ویلکینسون میگوید از سوی دیگر، این مکانیسم میتواند یکی از تاکتیک های عفونت فاژها را خنثی کند. هنگامی که ویروس ها به یک باکتری نفوذ می کنند، معمولا DNA آن را خرد می کنند. اما اگر این باکتری بتواند از ترانس کریپتاز معکوس موجود و RNA کدکننده پروموتر برای ساخت یک ژن ضد ویروسی جدید استفاده کند، همچنان میتواند با آن مقابله کند. “این به نوعی پیشی گرفتن از ویروس است.”
ایرینا آرکیپووا، متخصص ژنتیک تکاملی مولکولی از آزمایشگاه بیولوژیکی دریایی، میگوید: “این مقاله ها مورد خوبی هستند و یکدیگر را تکمیل میکنند. این سیستم ژن سازی که خودتان انجام دهید “قبلاً در طبیعت نشان داده نشده بود و ممکن است راه را برای کاربردهای بالقوه باز کند.”
برای مثال، مهندسان ژنوم ممکن است بتوانند از مکانیسمی برای القای سلول ها برای ساخت پروتئین های جدید استفاده کنند. حدود 5 درصد از باکتری ها حامل DNA برای سیستم دفاعی هستند و برنهایم می گوید که ممکن است حتی گسترده تر باشد.
اگر باکتری ها به نحوی آن را مدیریت کنند، ممکن است موجودات دیگر نیز آن را مدیریت کنند. تانگ می گوید که او و همکارانش حتی به دنبال سیستم مشابهی در سلول های انسانی هستند.