Tajný společenský život virů

genetik Rotem Sorek viděl, že jeho bakterie jsou nemocné – zatím tak dobré. Záměrně je infikoval virem, aby otestoval, zda každý nemocný mikrob sám nebo komunikoval se svými spojenci v boji proti útoku.,

Ale když on a jeho tým na Weizmann Institute of Science v Rehovot, Izrael, podíval se do obsahu jejich baněk, oni viděli něco zcela nečekaného: bakterie byli zticha, a bylo to viry, které cvakaly pryč, procházející poznámky k sobě navzájem v molekulární jazyce, kterému rozumí. Společně se rozhodovali, kdy mají ležet nízko v hostitelské buňce a kdy replikovat a vybuchnout, při hledání nových obětí.

byl to náhodný objev, který by zásadně změnil chápání vědců o tom, jak se viry chovají.,

Viry, které infikují bakterie — špičaté lollipop-jako bytosti známé jako bakteriofágy (nebo fágů) — mají kontrolní mechanismy, které přinášejí jim informace o tom, zda zůstat spící, nebo útok, v závislosti na dostupnosti čerstvých obětí. Ale vědci dlouho mysleli, že tyto procesy byly pasivní; fágů zdálo, že stačí jen sedět a poslouchat, čeká na bakteriální tísňové signály k dosažení horečky před přijetím opatření.

Sorek a jeho kolegové zjistili, že fágy aktivně diskutují o svých rozhodnutích., Uvědomili si, že když fág infikuje buňku, uvolňuje malý protein — peptid dlouhý jen šest aminokyselin — který slouží jako poselství svým bratřím: „vzal jsem oběť“. Jako fágů infikovat další buňky, zpráva dostane hlasitější, signalizační, že neinfikovaných počítače jsou stále vzácnější. Fágy pak zastavily lýzu-proces replikace a vymanění se z jejich hostitelů — místo toho zůstaly skryty v pomalém stavu zvaném lysogeny1.

ukázalo se, že viry nezávisí na bakteriálních podnětech, aby se rozhodly. Ovládali svůj vlastní osud., „Toto zjištění bylo velkým, důležitým revolučním konceptem ve virologii,“ říká Wei Cheng, strukturální mikrobiolog na Sichuanské univerzitě v čínském Čcheng-tu.

Sorek pojmenoval tento virový peptid ‚arbitrium‘, po latinském slově pro rozhodnutí. Zdálo se, že funguje podobně jako komunikační systém používaný bakteriemi — kvorum sensing — sdílet informace o hustotě buněk a odpovídajícím způsobem upravit populaci. Přesto to bylo poprvé, co někdo demonstroval molekulární zasílání zpráv tohoto druhu ve virech., A zapadla do nově vznikajícího obrazu virů jako mnohem sofistikovanější sociální agenti, než jim vědci připisovali zásluhy.

virologové již dlouho studovali své subjekty izolovaně a zaměřili se na buňky pouze jednou virovou částicí. Je však stále jasnější, že mnoho virů spolupracuje, spojuje se s koinfikujícími hostiteli a rozkládá antivirovou imunitní obranu.

důsledkem je, že vědci mohli jít o své experimenty špatně., „Otřáslo jedním z pilířů virologie,“ říká Sam Díaz-Muñoz, evoluční biolog na Kalifornské univerzitě v Davisu.

učení jazyka za těmito virovými interakcemi by mohlo informovat o návrhu nových léčebných postupů pro rakovinu a ošklivé superinfekce. Sociální přednosti virů dokonce pomáhají vysvětlit, jak se vyhýbají bakteriálnímu imunitnímu systému známému jako CRISPR. „Koncepčně je to opravdu silné,“ říká Díaz-Muñoz.,

Sociálních studií

Vědci poprvé spatřila viry mísí v roce 1940, kdy samostatné pokusy biofyzik Max Delbrück a bakteriolog Alfred Hershey ukázal, že dva virové částice může současně napadnout stejné buňky a vyměňovat geny. Ale podle Dale Kaiser, molekulární genetik na Stanford University v Kalifornii a chráněnec Delbrück, tyto časné pozorování byly jen opravdu zajímavé vědci jako experimentální metoda — oni dovoleno vědci k vytvoření kříž mezi dva virové kmeny. Význam pro základní biologii chyběl.,

až v roce 1999 si někdo všiml, čeho spolupráce dosáhla pro samotné viry. Ten rok, evoluční biologové Paul Turner, nyní na Univerzitě v Yale v New Haven, Connecticut, a Lin Chao, nyní na University of California, San Diego, ukázal, že fágů hrát svou vlastní verzi vězňovo dilema strategie, hra, práce v partnerství za určitých okolností a jednající v jejich vlastní self-zájmy v ujiných2.,

Další příklady prospěšných virových interakcí následuje, včetně těch, které se podílejí na patogeny zodpovědné za onemocnění, jako je hepatitida, dětské obrně, spalničkám a chřipce. Často se odehrávaly mezi různými virovými kmeny, které měly společný zájem na zvýšení vlastních reprodukčních šancí., Molekulární základ těchto kooperativních rysů – způsob komunikace-však do značné míry zůstal nepolapitelný. A jak zdůrazňuje Rafael Sanjuán, evoluční genetik na univerzitě ve Valencii ve Španělsku: „jak je zde opravdu důležité.“

to je důvod, proč arbitrium objev byl tak velký krok vpřed pro pole.,

Téměř okamžitě po Sorek první popsal jev, v roce 2017, čtyři nezávislé skupiny — včetně Cheng a jedna led ze strukturálních biolog Alberto Marina v Biomedicínském Institutu ve Valencii ve Španělsku — do práce snaží odhalit molekulární základ, podle něhož arbitrium peptidy jsou vyrobeny, cítil a jednal na fágů.

Ty technické detaily, oznámil v pět papers3–7 za posledních devět měsíců, pomohla vysvětlit, jak přesně na krátké peptidy Sorek objevena před vlivem virové rozhodování., Pro Marina je to však jen začátek příběhu: má podezření, že komunikační systém pravděpodobně slouží mnohem více funkcím.

Marina podezření spočívá na zjištění v jednom z těchto papírů6. Práce s José Penadés, mikrobiolog z University of Glasgow, UK, Marina ukázalo, že receptor pro arbitrium v fág může komunikovat nejen s geny bakterií, které pomáhají virus reprodukovat, ale také s jinými, nesouvisející úseky DNA. To znamená, že jeho činnost nemusí být omezena na rozhodnutí o pobytu nebo pobytu viru., Vědci nyní zkoumají, zda fágův peptidový jazyk mění také aktivitu klíčových genů u své oběti. „Pokud je to pravda,“ říká Marina, “ To by obraz mnohem větší a více vzrušující.“

rozšiřuje se na svůj vlastní počáteční objev, Sorek našel všude objevující se peptidy arbitria. Jeho tým nyní našel nejméně 15 různých typů fágů, z nichž všechny mohou infikovat půdní mikroby a používat k komunikaci nějaký krátký peptid. Zejména, říká Sorek,“zdá se, že každý fág mluví jiným jazykem a chápe pouze svůj vlastní“., Zdá se tedy, že virový chit-chat se vyvinul tak, aby umožnil komunikaci pouze mezi blízkými příbuznými.

fágy mohou mluvit pouze svým vlastním druhem, ale mohou také poslouchat v jiných jazycích. Molekulární biolog Bonnie Bassler a její postgraduální student Justin Silpe zjistili, že viry mohou pomocí quorum-sensing chemických látek uvolňovaných bakteriemi určit, kdy je nejlepší začít vynásobením — a murdering9. „Bakteriofágy jsou odposlouchávání, a snaží se ukrást informace o hostiteli pro své vlastní účely — v tomto případě, zabít hostitele,“ Bassler vysvětluje.,

toto molekulární snooping se přirozeně vyskytuje u fágů, které infikují bakterie odpovědné za choleru, Vibrio cholerae. Ale ve své laboratoři na Univerzitě v Princetonu v New Jersey, Bassler a Silpe mít inženýrství „špionážní“ fágů, které mohou smysl jedinečným signálů s jinými mikroby, včetně Escherichia coli a Salmonella typhimurium, a zničit je. Viry se ve skutečnosti staly programovatelnými vrahy, které by mohly být vyrobeny k usmrcení jakékoli bakterie — podle libosti a na vyžádání.

pro větší dobro

zdá se, že některá virová spolupráce vrcholí altruismem., Dvě nezávislé skupiny loni oznámily,že některé fágy jednají nezištně, aby překonaly virová protiopatření bakterií Pseudomonas10, 11.

týmy — jeden vedený phage biolog Joe Bondy-Denomy na University of California, San Francisco, druhou CRISPR expert Edze Westra a virolog Stineke van Houte na University of Exeter, velká BRITÁNIE — sledoval, jak viry bombardováni bakterie se specializovanými proteiny navržen tak, aby prolomit „buňky“ CRISPR-založené imunitní obranu. První vlna virů napadla buňky, zabíjela se, ale také oslabovala bakterie., Počáteční bombardování vydláždilo cestu ostatním k dobytí mikrobiálního nepřítele. „Tyto fágy tam musely být a zemřít a produkovat Anti-CRISPRs, než by mohl přijít další fág a uspět,“ říká Bondy-Denomy.

V navazující práce, Westra, a jeho postdoka Anne Chevallereau ukázal, jak fágů chybí tyto anti-CRISPR proteiny mohou využít družstva nabídky další, které do12. Pro Westru to ukazuje potenciálně dalekosáhlé důsledky altruistického chování mezi viry. „Na populační úrovni je mnoho vznikajících vlastností,“ říká., „Je velmi důležité mít na paměti ekologii těchto fágů.“

Tyto příklady komunikace a spolupráce v bakteriofágy jsou pravděpodobně jen špičkou sociální kopí, říká Lanying Zeng, biofyzik v Texasu&M University je Centrum pro Fága Technologie v College Station. „Toto je celá neprobádaná oblast.“A totéž platí pro viry, které infikují jiné typy buněk-včetně živočišných a lidských buněk-které používají některé vlastní sociální triky.,

vezměte virus vezikulární stomatitidy (VSV), který infikuje hlavně hospodářská zvířata, ale může způsobit chřipkovou nemoc i u lidí. Částice tohoto virového patogenu potlačují hostitelskou imunitu za osobní cenu, ale ve prospěch skupiny, jak ukázal Sanjuán a jeho kolegové. Nikdo si není jistý, jak toto družstvo úniky se děje, ale práce zdůrazňuje, jak zásadní altruismus může být pro úspěch VSV. To by mohlo vědcům pomoci porazit virus u hospodářských zvířat a optimalizovat jej pro použití ve vakcínách a terapeutikách.,

další případy kolektivního působení jsou rozšířené mezi viry způsobujícími onemocnění. Například u polioviru se může několik geneticky odlišných virových kmenů shlukovat dohromady, aby vyměnily genové produkty a posílily svůj potenciál zabíjení lidských buněk. A dva kmeny chřipky — jeden, který vyniká při vstupu do buněk, druhý při výstupu z buněk-rostou lépe, když jsou udržovány v buněčné kultuře společně, než když jsou odděleny. 15.

ale v reálném prostředí, v nosních tamponech od lidí s chřipkou, se dva virové kmeny nezdály koexistovat16., Jesse Kvetou ve Fred Hutchinson Cancer Research Center v Seattlu, Washington, který vedl výzkum, si myslí, že má co do činění s nějakou zvláštností viru chřipky život — jeho velikost populace houpačky tak divoce, že družstevní částice mají malou šanci na slepení. U virů, které nepodléhají těmto druhům překážek přenosu,“ spolupráce může být pravděpodobnější, že bude udržována v reálném prostředí“, říká.

to je přesně to, co mikroskopista Nihal Altan-Bonnet našel, když studovala přenos rotaviru mezi mláďaty myší., Rotavirové částice mohou cestovat společně mezi buňkami v bublinovitých vezikulech, sdílet zdroje a skrývat se před imunitním systémem hostitele. A Altan-Bonnet a její kolegové ukázali, že částice se stávají více infekčními pro myši, když jsou uvnitř těchto kooperativních klastrů, než když to jdou alone17.

Mnoho dalších patogenní viry — včetně osob odpovědných za Zika, hepatitida, plané neštovice, norovirus a nachlazení — jsou nyní známo, přenášet se prostřednictvím těchto váčků.,

„tyto viry jsou velmi záludné,“ říká Altan-Bonnet, který vede laboratoř dynamiky hostitelských patogenů v americkém Národním institutu pro srdce, plíce a krev v Bethesdě v Marylandu. „A musíme myslet na strategie, které narušují tuto kooperativitu a shlukování virů.“

to znamená, pokud by destruktivní síla virů nemohla být použita k dobrému., Několik skupin se testování fágů v léčbě bakteriálních infekcí — a dozvědět se více o tom, jak konverzovat s navzájem mohli pomoci k upřesnění těchto terapií, které mají dlouhou historii i v medicíně, ale teprve začíná být manipulováno pro terapeutický zisk.

Zapojit phage

Poslední měsíc, například, vědci popsal první úspěšné klinické použití geneticky modifikovaných fágů k řešení rezistentní bakteriální infection18. U infekcí, jako je tato, je samozřejmě ideálním řešením použít virus k úplnému zničení bakterií., Ale za podmínek, které jsou označeny mikrobiální nerovnováha, jako je akné, některé typy rakoviny a zánětlivých onemocnění střev, mohlo by to být lepší nasadit fága, které může pomoci obnovit rovnováhu bez all-out útok.

A pro ty jemnější aplikace, přesně věděli, jak viry komunikovat „může být opravdu užitečné, že nám pomáháte, aby inženýr fágů, které by mohly být použity pro léčbu onemocnění,“ říká Karen Maxwell, phage biolog na University of Toronto v Kanadě. Klepnutím do arbitrium systém by tak mohl vést k povolnější, nebo dokonce reverzibilní, ošetření.,

naučit se mluvit virem by mohlo také poskytnout jiný druh terapeutického přínosu. „To by mohlo být kromě syntetické-biologie nástroj na pomoc doladit inženýrství bakteriální genové exprese,“ říká Christopher Neprotiví, mikrobiolog z University of Michigan Dearborn.

Sorek, například, přijal arbitrium peptidy z jejich přirozeného prostředí v phage a zapojen je do jiných organismů, kde fungují jako přepínače světel, že dial-up nebo tlumit genové aktivity., V nepublikované práci, on a jeho postgraduální student Erez Zohar vložena arbitrium stroje do bakterie Bacillus subtilis, což jim umožňuje manipulovat několik svých genů. Upravené mikroby by mohly být jednoho dne použity například k dodání léků v přesných dávkách nebo na konkrétní místa.,

Co je více, poznámky Sorek, pokud arbitrium-jako systémy dopadat být zachovány v lidské viry — patogeny, jako jsou HIV a herpes simplex virus, který, jako fágů, strávit části jejich životů se skrývá v buňkách — pak veškeré komunikační molekula, která vyzve virové vegetačního klidu „, okamžitě se stává droga“.

každý vědecký projekt, který přetrvává, dostane „- ology “ a studium společenských virů se neliší., Před dvěma lety, Díaz-Muñoz, Sanjuán a evoluční biolog Stu West z University of Oxford, UK, coined19 nový termín — sociovirology — poskytnout rámec pro jejich výzkum. Americká Společnost pro Mikrobiologii bude hostit vůbec první workshop věnovaný tématu na svém výročním zasedání tento měsíc v San Franciscu. „Je to nápad, jehož čas přišel,“ říká Díaz-Muñoz.,

V sociovirology, vidí mnohé paralely s postupným přijetí podobné skupiny chování mezi bakterie v minulých letech: to nebylo až vědci odhalí chemikálie v quorum sensing a dal jméno k procesu, který většina mikrobiologů placené jevu žádnou pozornost.

„není to ve vědomí,“ říká Díaz-Muñoz. Ale stejně jako u všech věcí sociálních a virových, zpráva se šíří.