چگونه باکتری ها تفاوت بین ویروس های مفید و مضر را تشخیص می دهند

ذرات ویروسی در غلظت های متفاوت، سلول های Staphylococus aureus را از بین برده اند. دانشمندان بر روی عملکرد این ویروس ها به بررسی پرداخته اند.

جالب است بدانیم هنگامی که میکروب ها مشغول آلوده ساختن بدن ما نباشند به یکدیگر حمله می کنند. اما تهاجم ویروس ها به باکتری ها همیشه هم برای میکروب های آلوده شده ناگوار نمی باشد. گاهی مواقع، ویروس ها حاوی ژن های مفیدی هستند که باکتری ها از آنها برای گسترش محدوده غذایی و یا حمله بهتر به میزبان خود استفاده می کنند.

دانشمندان انتظار دارند که سیستم ایمنی باکتریایی به صورت خودکار، هر چیزی که به عنوان ژن ویروس مهاجم شناسایی می شود را از بین ببرد. اما آزمایشات جدید در دانشگاه Rockefeller نشان می دهد که گونه ای از سیستم ایمنی باکتریایی به نام CRISPR-Cas، می تواند ویروس های دوست را از دشمن تشخیص دهد. این یافته در مقاله ای در مجله Nature به چاپ رسیده است.

سرپرست آزمایشگاه باکتری شناسی این دانشگاه دکتر Luciano Marraffini می گوید:

"رونویسی ( مرحله اولیه برای خوانده شدن ژن ها که شامل ژنوم ویروس ها نیز میشود) این تفاوت را ایجاد میکند. ژنوم کامل ویروس ها در چرخه لیتیک و یا لیزوژنی وارد مرحله  رونویسی می شود ولی در این فرایند تعداد کمی از ژن های یک ویروس می توانند رونویسی شوند."

پیش از آنکه سلول برای آزاد سازی ویروس های جدید ساخته شده در فاز لیتیک متلاشی شود، ویروس ها با استفاده از ماشین سلولی میزبان، خود را چند برابر می کنند. در حالی که ویروس در فاز لیزوژنی، به صورت خاموش در ماده ژنتیکی میزبان درج می شود. این مرحله زمانی است که می توانند به عنوان عامل مفیدی برای باکتری ها به حساب بیایند و از ژن های آنها برای پیشبرد اهداف باکتری ها استفاده شود. در واقع بعضی بیماری های ناشی از میکروب ها (مانند باکتری عامل دیفتری) باید ویروس صحیح را در خود حمل کنند تا بتوانند به انسان حمله کنند.

دانشمندان به تازگی موفق به کشف سیستم ایمنی تطبیق پذیری در باکتری ها شده اند که عملکرد آن به CRISPR ها متکی می باشد. CRISPR ها قطعاتی از DNA با توالی تکراری هستند که توالی های فاصله انداز (spacer) در میان آنها قرار گرفته اند (CRISPR=clustered regularly interspaced short palindromic repeats). توالی های فاصله انداز با توالی های موجود در رمز ژنتیکی ویروسی مطابقت داشته و آنزیمی که به وسیله ژن همراه Cas) CRISPR) رمز می شود توالی های فاصله انداز را از CRISPR DNA شناسایی می کند. سپس دیگر آنزیم های Cas از این توالی های فاصله انداز به عنوان هدفی برای تهاجم و جایگزینی استفاده می کنند.

این سیستم می تواند با به کار گیری توالی های فاصله انداز جدید به عنوان هدف با ویروس های جدید همخوانی پیدا کند. اخیرا سیستم های CRISPR-Cas توجه زیادی را به  خود جلب کرده اند، زیرا توانایی آنها در برش های هدفمند در DNA می تواند در مهندسی ژنتیک تمام سلول ها کاربرد داشته باشد.

نویسنده مسئول این مقاله دکتر Gregory Goldberg می گوید:

"دانش ما از سیستم های CRISPR-Cas در مراحل اولیه می باشد. اما در گذشته فرض می شد که آنها روش پیچیده ای برای تشخیص توالی هدف ندارند و به بیان دیگر، هنگامی که هدفی در معرض آنها قرار بگیرد آن را می برند. برای اولین بار ما نشان دادیم که سیستم CRISPR-Cas که در باکتری استافیلوکوکوس وجود دارد می تواند تشخیص دهد که یک ویروس در فاز تخریبی خود قرار دارد یا خیر و پاسخ سریع به آن را متوقف کند."

اگرچه بیشتر ویروس هایی که استافیلوکوکوس ها را آلوده می کنند می توانند وارد فاز لیزوژنی شوند، اما بیشتر مطالعات پیشین برروی ویروس های لیتیک تمرکز داشته است. دانشمندان همچنین یک عدم تقارن در توانایی سیستم های CRISPR استافیلوکوکوس ها، برای هدف قرار دادن یک توالی در دو رشته‌ی DNA کشف کرده اند. آنها معتقدند این تناقض به دلیل انجام رونویسی تنها در یک جهت از ژن های ویروسی می باشد، بدین معنی که یکی از دو رشته هدف، رونویسی نخواهد شد.

دکتر Goldberg می گوید:

"سرنخ اصلی هنگامی به دست آمد که ما ویروس جهش یافته ای کشف کردیم که تخریب را انجام نمی داد. گاهی ویروس ها این عمل را از طریق جهشی در یک توالی هدف که منجر به ناشناس نگه داشتن آنها می شود انجام می دهند. اما هنگامی که ما ژنوم این فاژ را توالی یابی کردیم، جهشی را در ناحیه ای کشف کردیم که باعث شدت رونویسی می شد."

در تعدادی آزمایش، او و همکارانش فرضیه خود را مبنی بر پاسخ ندادن به ویروس به وسیله سیستم CRISPR-Cas استافیلوکوکوس ( که به نوع III-A معروف است) تا زمان رونویسی، مورد بررسی قرار دادند. آنها یک توالی هدف را که تنها در حضور یک ماده شیمیایی خاص رونویسی می شد با مهندسی ژنتیک ایجاد کردند. در نتیجه سیستم CRISPR-Cas نوع  III-A تنها در حضور آن ماده شیمیایی هدف را نابود کرد.

دکتر Marraffini می گوید:

"کشف این نیاز برای رونویسی، افراد بسیاری را که بر روی این سیستم کار می کردند شگفت زده کرده است. اگرچه ما هنوز مکانیسم این عمل را نمی دانیم اما می توانیم بگوییم که سیستم نوع III-A با تمام سیستم های CRIPSPR-Cas که گستردگی بسیاری دارند متفاوت می باشد. کشف ما منجر به تایید احتمال عملکرد های متفاوت  گروه ها و زیر گروه های سیستم های CRISPR به صورت هماهنگ با نیازهای هر باکتری شد. اگر مکانیسم تعیین هدف متفاوت وجود داشته باشد، کاربرد های بسیار مفیدی در بیوتکنولوژی خواهد داشت."

 

منبع: nature