Viața socială secretă a virușilor

geneticianul Rotem Sorek a putut vedea că bacteriile sale erau bolnave-până acum, atât de bune. El le-a infectat în mod deliberat cu un virus pentru a testa dacă fiecare microb bolnav a fost soldat singur sau a comunicat cu aliații săi pentru a lupta împotriva atacului.,dar când el și echipa sa de la Institutul de știință Weizmann din Rehovot, Israel, s-au uitat în conținutul baloanelor lor, au văzut ceva complet neașteptat: bacteriile tăceau și virușii care vorbeau departe, trecând note între ele într-un limbaj molecular pe care numai ei îl puteau înțelege. Ei au decis împreună când să se întindă scăzut în celula gazdă și când să se reproducă și izbucni, în căutare de noi victime.a fost o descoperire accidentală care ar schimba fundamental înțelegerea oamenilor de știință despre modul în care se comportă virușii.,virusurile care infectează bacteriile-creaturi asemănătoare cu lollipop, cunoscute sub numele de bacteriofagi (sau fagi) — au mecanisme de supraveghere care le aduc informații despre dacă să rămână latente sau să atace, în funcție de disponibilitatea victimelor proaspete. Dar cercetătorii au crezut mult timp că aceste procese sunt pasive; fagii păreau să stea doar pe spate și să asculte, așteptând ca semnalele de primejdie bacteriene să ajungă la Pasul febrei înainte de a lua măsuri.Sorek și colegii săi au găsit fagi discutând în mod activ alegerile lor., Ei și — au dat seama că, pe măsură ce un fag infectează o celulă, eliberează o proteină minusculă — o peptidă de doar șase aminoacizi-care servește ca un mesaj pentru frații săi: „am luat o victimă”. Pe măsură ce fagii infectează mai multe celule, mesajul devine mai puternic, semnalând că gazdele neinfectate devin rare. Fagii au oprit apoi Liza — procesul de replicare și de rupere din gazdele lor — în loc să rămână ascunși într-o stare lentă numită lysogeny1.

virușii, se pare, nu au depins de indicii bacteriene pentru a lua deciziile. Și-au controlat propriul destin., „Această constatare a fost un concept mare, important, revoluționar în virologie”, spune Wei Cheng, microbiolog structural la Universitatea Sichuan din Chengdu, China.Sorek a numit această peptidă virală „arbitrium”, după cuvântul Latin pentru decizie. Părea să funcționeze la fel ca sistemul de comunicare folosit de bacterii — quorum sensing — pentru a împărtăși informații despre densitatea celulară și pentru a ajusta populația în consecință. Cu toate acestea, a fost prima dată când cineva a demonstrat mesaje moleculare de acest fel în viruși., Și s-a încadrat într-o imagine emergentă a virușilor la fel de mult mai sofisticați agenți sociali decât oamenii de știință le-au dat credit.virologii și-au studiat mult timp subiecții în mod izolat, vizând celulele cu o singură particulă virală. Dar a devenit din ce în ce mai clar că mulți viruși cooperează, făcând echipă pentru a co-infecta gazdele și a descompune apărarea imună antivirală.

implicația este că cercetătorii ar fi putut merge cu privire la experimentele lor toate greșit., „A zdruncinat unul dintre pilonii virologiei”, spune Sam Díaz-Muñoz, biolog evolutiv la Universitatea din California, Davis.învățarea limbii din spatele acestor interacțiuni virale ar putea informa proiectarea de noi tratamente pentru cancer și superinfecții urâte. Predilecțiile sociale ale virusurilor ajută chiar la explicarea modului în care se sustrag sistemului imunitar bacterian cunoscut sub numele de CRISPR. „Conceptual, este foarte puternic”, spune Díaz-Muñoz.,

studii Sociale

oamenii de Știință au spionat primul virusuri amestecându-se în 1940, când experimente separate de biofizicianul Max Delbrück și bacteriolog Alfred Hershey a arătat că două particule virale poate simultan să invadeze aceeași celulă și schimb de gene. Dar, potrivit lui Dale Kaiser, genetician molecular la Universitatea Stanford din California și protejat al lui Delbrück, aceste observații timpurii au fost cu adevărat interesante pentru oamenii de știință ca metodă experimentală — au permis cercetătorilor să creeze o încrucișare între două tulpini virale. Relevanța pentru biologia de bază a fost ratată.,

nu a fost până în 1999 că cineva a luat nici o notificare a ceea ce a realizat cooperarea pentru virușii înșiși. În acel an, biologii evolutionisti Paul Turner, acum la Universitatea Yale din New Haven, Connecticut, și Lin Chao, acum la Universitatea din California, San Diego, au arătat că fagi joace propria versiune a dilemei prizonierului, joc de strategie, care lucrează în parteneriat, în anumite situații și de a acționa în propriile lor interese în altele2.,

Alte exemple de benefic virale interacțiuni urmat, inclusiv cele care implică agenți patogeni responsabili pentru boli cum ar fi hepatita, poliomielita, rujeola și gripa. Adesea au avut loc între diferite tulpini virale care au avut un interes comun în creșterea propriilor șanse de reproducere., Dar baza moleculară a acestor trăsături de cooperare-metoda de comunicare-a rămas în mare parte evazivă. Și după cum subliniază Rafael Sanjuán, genetician evolutiv la Universitatea din Valencia din Spania: „” cum ” este cu adevărat important aici.”

De aceea, arbitrium discovery a fost un mare pas înainte pentru teren.,

Aproape imediat după Sorek a descris primul fenomenul, în 2017, patru grupuri independente, inclusiv lui Cheng și unul condus de structurale biolog Alberto Marina de la Biomedicale Institutul de Valencia, în Spania — setat la locul de muncă încearcă să dezvăluie bazele moleculare prin care arbitrium peptide sunt făcute, a simțit și a acționat pe de fagi.

Aceste detalii tehnice, raportate în cinci papers3–7 în ultimele nouă luni, a ajutat pentru a explica exact cum peptidele scurte Sorek descoperit influența virale de luare a deciziilor., Pentru Marina, însă, acesta este doar începutul poveștii: el suspectează că sistemul de comunicare servește probabil mult mai multe funcții.suspiciunea Marina se bazează pe o constatare într-una din aceste hârtii6. Lucrând cu José Penadés, microbiolog la Universitatea din Glasgow, Marea Britanie, Marina a arătat că receptorul pentru arbitrium din fag poate interfața nu numai cu genele din bacterie care ajută virusul să se reproducă, ci și cu alte întinderi de ADN fără legătură. Aceasta înseamnă că activitatea sa ar putea să nu se limiteze la decizia de ședere sau de plecare a virusului., Cercetătorii explorează acum dacă limbajul peptidic al fagului modifică și activitatea genelor cheie în victima sa. „Dacă este adevărat”, spune Marina, ” acest lucru ar face imaginea mult mai mare și mai interesantă.extinzându-se pe propria descoperire inițială, Sorek a găsit peptide arbitrium care apar peste tot. Echipa sa a găsit acum cel puțin 15 tipuri diferite de fagi, toți putând infecta microbii din sol și folosind un fel de peptidă scurtă pentru a comunica8. În special, spune Sorek, „fiecare fag pare să vorbească într-o limbă diferită și înțelege doar propria sa limbă”., Astfel, chit-chat-ul viral pare să fi evoluat pentru a permite comunicarea numai între rudele apropiate.fagii pot vorbi doar cu semenii lor, dar pot asculta și în alte limbi. Biolog Molecular Bonnie Bassler și ei de student Justin Silpe au descoperit ca virusurile pot folosi quorum-sensing chimice eliberate de bacterii pentru a determina momentul cel mai bun pentru a începe înmulțirea și murdering9. „Fagii trag cu urechea și deturnează informații despre gazdă în scopuri proprii — în acest caz, pentru a ucide gazda”, explică Bassler.,acest snooping molecular apare în mod natural la fagii care infectează bacteria responsabilă de holeră, Vibrio cholerae. Dar în laboratorul de la Universitatea Princeton din New Jersey, Bassler și Silpe au proiectat ‘spy’ fagi care pot sens semnale unice a altor microbi, inclusiv Escherichia coli și Salmonella typhimurium, și le șterge. Virușii în vigoare au devenit asasini programabili care ar putea fi făcuți pentru a ucide orice bacterie — la voință și la cerere.

pentru binele mai mare

unele cooperări virale par să se apropie de altruism., Două grupuri independente au raportat anul trecut că unii fagi acționează altruist pentru a depăși contramăsurile virale ale bacteriei Pseudomonas10,11.

echipe — unul condus de fagi biolog Joe Bondy-Denomy de la Universitatea din California, San Francisco, celălalt de CRISPR expert Edze Westra și virusolog Stineke van Houte de la Universitatea din Exeter, marea BRITANIE — privit ca virusurile bombardat bacterii cu proteine specializate concepute pentru a rupe în jos de celule de CRISPR-a bazat imunitar de apărare. Primul val de viruși a atacat celulele, ucigându-se, dar și slăbind bacteriile., Bombardamentul inițial a deschis calea pentru alții pentru a cuceri dușmanul microbian. „Acești fagi trebuiau să fie acolo și să moară și să producă anti-CRISPRs înainte ca un alt fag să poată veni și să reușească”, spune Bondy-Denomy.

În follow-up de muncă, Westra și postdoc Anne Chevallereau a demonstrat cât de fagi lipsit de aceste anti-CRISPR proteinele pot exploata cooperare oferte de altele care do12. Pentru Westra, care arată consecințele potențial de anvergură ale comportamentelor altruiste printre viruși. „Există o mulțime de proprietăți emergente la nivelul populației”, spune el., „Este foarte important să ținem cont de ecologia acestor fagi.”

Aceste exemple de comunicare și cooperare în fagi sunt probabil doar vârful socială sulița, spune Lanying Zeng, un biofizician de la Texas Un&M University, Centrul pentru Fagul Tehnologie în College Station. „Aceasta este o zonă întreagă neexplorată.”Și același lucru este valabil și pentru virușii care infectează alte tipuri de celule — inclusiv celulele animale și umane — care folosesc câteva trucuri sociale proprii.,luați virusul stomatitei veziculoase (VSV), care infectează în principal animalele de fermă, dar poate provoca și o boală asemănătoare gripei la om. Particulele acestui agent patogen viral suprimă imunitatea gazdei cu un cost personal, dar cu un beneficiu pentru grup, după cum au arătat Sanjuán și colegii săi13. Nimeni nu este sigur încă cum se întâmplă această evaziune cooperativă, dar lucrarea evidențiază cât de important poate fi altruismul pentru succesul VSV. Acest lucru ar putea ajuta oamenii de știință să învingă virusul la animalele de fermă și să-l optimizeze pentru utilizare în vaccinuri și terapeutice.,alte cazuri de acțiune colectivă sunt răspândite în rândul virusurilor cauzatoare de boli. În poliomielitic, de exemplu, mai multe genetic distincte tulpini virale pot strange in grupuri impreuna pentru a schimba gena produse și de a spori lor umane-omoară celulele potential14. Și două tulpini de gripă — una care excelează la intrarea celulelor, cealaltă la ieșirea celulelor — cresc mai bine atunci când sunt menținute împreună în cultura celulară decât atunci când sunt ținute separat15.dar într-un cadru real, în tampoanele nazale de la persoanele cu gripă, cele două tulpini virale nu păreau să coexiste 16., Jesse Floare la Fred Hutchinson Cancer Research Center din Seattle, Washington, care a condus cercetarea, crede că are de-a face cu unele particularități de virusul gripei viața — mărimea populației sale leagăne atât de sălbatic, care de cooperare particule au o mică șansă de a rămâne împreună. Pentru virușii care nu suferă astfel de blocaje de transmisie, „cooperarea ar putea fi mai probabil menținută în setările din lumea reală”, spune el.exact asta a găsit microscopistul Nihal Altan-Bonnet când a studiat transmiterea rotavirusului între puii de șoarece., Particulele de Rotavirus pot călători împreună între celule în vezicule asemănătoare bulelor, împărtășind resurse și ascunzându-se de sistemul imunitar al gazdei. Și, Altan-Bonnet și colegii ei au arătat, particulele devin mai infecțioase pentru șoareci atunci când se află în interiorul acestor grupuri de cooperare decât atunci când merg singure17.multe alte virusuri patogene-inclusiv cele responsabile pentru Zika, hepatită, varicela, norovirus și răceala comună — sunt acum cunoscute pentru a se transmite prin aceste vezicule, de asemenea.,”aceste virusuri sunt foarte mascate”, spune Altan-Bonnet, care conduce laboratorul de dinamică gazdă-patogen la Institutul Național al Inimii, Plămânului și sângelui din SUA din Bethesda, Maryland. „Și trebuie să ne gândim la strategii care perturbă această cooperativitate și gruparea virușilor.adică, cu excepția cazului în care puterea distructivă a virușilor ar putea fi folosită pentru totdeauna., Mai multe grupuri testează fagii ca tratament pentru infecțiile bacteriene — și știind mai multe despre modul în care conversează între ele ar putea ajuta la rafinarea unor astfel de terapii, care au o istorie lungă în medicină, dar abia încep să fie manipulate pentru câștig terapeutic.luna trecută, de exemplu, cercetătorii au descris prima utilizare clinică de succes a fagilor modificați genetic pentru a combate o infecție bacteriană rezistentă la medicamente18. Pentru infecții precum aceasta, desigur, soluția ideală este utilizarea virusului pentru a anihila bacteriile în întregime., Dar pentru condițiile care sunt marcate de un dezechilibru microbian, cum ar fi acneea, unele tipuri de cancer și boli inflamatorii intestinale, ar putea fi mai bine să implementați un fag care poate ajuta la restabilirea echilibrului fără un atac total.

Și pentru cei mai subtile aplicații, știind exact cum virusuri comunica „ar putea fi foarte util pentru a ne ajuta să-inginer de fagi care ar putea fi folosite pentru tratarea bolii”, spune Karen Maxwell, phage biolog de la Universitatea din Toronto, în Canada. Atingerea în sistemul arbitrium ar putea duce astfel la tratamente mai maleabile sau chiar reversibile.,

învățarea de a vorbi virusul ar putea oferi un alt fel de beneficiu terapeutic, de asemenea. „Aceasta ar putea fi o completare la setul de instrumente de biologie sintetică pentru a ajuta la reglarea fină a expresiei genelor bacteriene”, spune Christopher Alteri, microbiolog la Universitatea Michigan din Dearborn.Sorek, de exemplu, a luat peptidele arbitrium din habitatul lor natural în fag și le-a conectat la alte organisme, unde acționează ca întrerupătoare de dimmer care formează sau diminuează activitatea genei., În lucrare nepublicată, el și student absolvent Zohar Erez introdus arbitrium utilaje în bacteria Bacillus subtilis, permițându-le pentru a manipula mai multe din genele sale de la va. Microbii proiectați ar putea fi folosiți într-o zi, de exemplu, pentru a livra medicamente în doze precise sau în locații specifice.,

Ce e mai mult, note Sorek, dacă arbitrium-astfel de sisteme se dovedesc a fi conservate într-virusurile umane — patogeni, cum ar fi HIV și virusul herpes simplex, care, ca fagi, petrece porțiuni din viața lor ascunzându-se în celule — atunci orice comunicare moleculă care solicită virale hibernare „devine imediat un medicament”.fiecare proiect științific care persistă primește o „- ologie”, iar studiul virușilor sociabili nu este diferit., În urmă cu doi ani, Diaz-Muñoz, Sanjuán și biologul evoluționist Stu West de la Universitatea din Oxford, marea BRITANIE, coined19 un nou termen — sociovirology — de a oferi un cadru pentru linia lor de cercetare. Societatea Americană pentru Microbiologie va găzdui primul atelier dedicat subiectului la întâlnirea sa anuală din această lună de la San Francisco. „Este o idee al cărei timp a venit”, spune Díaz-Muñoz.,

În sociovirology, el vede multe paralele cu acceptarea graduală de grup similar comportamente printre bacterii în ultimii ani: nu a fost până când cercetătorii au identificat substanțe chimice implicate în detectarea cvorumului și a pus un nume la procesul de cele mai multe microbiologi plătit fenomenul nici o atenție.

„nu este în conștiință”, spune Díaz-Muñoz. Dar, ca și în cazul tuturor lucrurilor sociale și virale, mesajul se răspândește.