Fag boleh merasakan kerosakan DNA bakteria, yang mencetuskan mereka untuk mereplikasi dan melompat ke kapal. Reka Bentuk Sel/iStock melalui Getty Images Plus
Selepas lebih daripada dua tahun pandemik COVID-19, anda mungkin membayangkan virus sebagai bola berduri yang jahat - pembunuh yang tidak berakal yang masuk ke dalam sel dan merampas jenteranya untuk mencipta berjuta-juta salinan dirinya sebelum meletus. Untuk banyak virus, termasuk coronavirus yang menyebabkan COVID-19, julukan "pembunuh tanpa akal" pada asasnya adalah benar.
Tetapi terdapat lebih banyak lagi biologi virus daripada yang dapat dilihat.
Ambil HIV, virus yang menyebabkan AIDS. HIV ialah a retrovirus yang tidak melakukan pembunuhan secara langsung apabila ia memasuki sel. Sebaliknya, ia menyatukan dirinya ke dalam kromosom dan menggigil anda, menunggu masa yang sesuai untuk mengarahkan sel membuat salinannya dan meletus untuk menjangkiti sel imun yang lain dan akhirnya menyebabkan AIDS.
Masa yang ditunggu-tunggu oleh HIV masih lagi bidang kajian aktif. Tetapi penyelidikan mengenai virus lain telah lama membayangkan bahawa patogen ini boleh menjadi agak "berfikir" tentang pembunuhan. Sudah tentu, virus tidak boleh berfikir seperti anda dan saya. Tetapi, ternyata, evolusi telah memberi mereka beberapa mekanisme membuat keputusan yang cukup rumit. Sesetengah virus, sebagai contoh, akan memilih untuk meninggalkan sel yang mereka tinggali jika mereka mengesan kerosakan DNA. Bukan virus pun, nampaknya, suka tinggal dalam kapal yang karam.
My makmal telah mengkaji biologi molekul bagi bakteriofag, atau singkatannya phages, virus yang menjangkiti bakteria, selama lebih dua dekad. Baru-baru ini, saya dan rakan sekerja telah menunjukkan bahawa phages boleh mendengar isyarat selular utama untuk membantu mereka dalam membuat keputusan. Lebih teruk lagi, mereka boleh menggunakan "telinga" sel itu sendiri untuk mendengarnya.
Melarikan diri daripada kerosakan DNA
Jika musuh musuh anda adalah kawan anda, phages sudah tentu kawan anda. Phages mengawal populasi bakteria secara semula jadi, dan doktor semakin menggunakannya untuk merawat jangkitan kuman yang tidak bertindak balas terhadap antibiotik.
Faj yang terbaik dipelajari, lambda, berfungsi sedikit seperti HIV. Apabila memasuki sel bakteria, lambda memutuskan sama ada untuk mereplikasi dan membunuh sel secara langsung, seperti kebanyakan virus, atau untuk menyepadukan dirinya ke dalam kromosom sel, seperti yang dilakukan oleh HIV. Jika yang terakhir, lambda secara tidak berbahaya mereplikasi dengan perumahnya setiap kali bakteria membahagi.
Video ini menunjukkan lambda phage menjangkiti E. coli.
Tetapi, seperti HIV, lambda bukan hanya duduk terbiar. Ia menggunakan protein khas yang dipanggil CI seperti stetoskop untuk mendengar tanda-tanda kerosakan DNA dalam sel bakteria. Jika DNA bakteria terjejas, itu adalah berita buruk bagi fag lambda yang bersarang di dalamnya. DNA yang rosak membawa terus ke tapak pelupusan evolusi kerana ia tidak berguna untuk faj yang memerlukannya untuk membiak. Jadi lambda menghidupkan gen replikasinya, membuat salinan dirinya sendiri dan keluar dari sel untuk mencari lebih banyak sel yang tidak rosak untuk dijangkiti.
Mengetik sistem komunikasi sel
Sesetengah faj, bukannya mengumpul intel dengan protein mereka sendiri, ketik sensor kerosakan DNA sel yang dijangkiti sendiri: LexA.
Protein seperti CI dan LexA adalah faktor transkripsi yang menghidupkan dan mematikan gen dengan mengikat kepada corak genetik tertentu dalam buku arahan DNA iaitu kromosom. Sesetengah faj seperti Coliphage 186 telah mengetahui bahawa mereka tidak memerlukan protein CI virus mereka sendiri jika mereka mempunyai urutan DNA pendek dalam kromosom mereka yang boleh diikat oleh bakteria LexA. Setelah mengesan kerosakan DNA, LexA akan mengaktifkan gen replika dan bunuh phage, pada asasnya menyeberangi dua kali sel untuk membunuh diri sambil membenarkan phage melarikan diri.
Para saintis pertama kali melaporkan peranan CI dalam membuat keputusan phage dalam 1980s dan helah kontra perisikan Coliphage 186 pada akhir 1990-an. Sejak itu, terdapat beberapa laporan lain mengenai phages yang mengetuk sistem komunikasi bakteria. Satu contoh ialah phage phi29, yang mengeksploitasi faktor transkripsi hosnya untuk mengesan apabila bakteria sedang bersedia untuk menjana spora, atau sejenis telur bakteria mampu bertahan dalam persekitaran yang melampau. Phi29 mengarahkan sel untuk membungkus DNAnya ke dalam spora, membunuh bakteria tunas sebaik sahaja spora bercambah.
Faktor transkripsi menghidupkan dan mematikan gen.
Dalam kami baru-baru ini menerbitkan penyelidikan, rakan sekerja saya dan saya menunjukkan bahawa beberapa kumpulan phages telah secara bebas mengembangkan keupayaan untuk memanfaatkan satu lagi sistem komunikasi bakteria: protein CtrA. CtrA menyepadukan berbilang isyarat dalaman dan luaran untuk menggerakkan proses perkembangan yang berbeza dalam bakteria. Kunci di antaranya ialah penghasilan pelengkap bakteria yang dipanggil flagela dan pili. Ternyata, fag ini melekat pada pili dan flagela bakteria untuk menjangkiti mereka.
Hipotesis utama kami ialah phages menggunakan CtrA untuk meneka apabila terdapat cukup bakteria pili sukan dan flagela berdekatan yang boleh dijangkiti dengan mudah. Helah yang cukup bijak untuk "pembunuh yang tidak berakal."
Ini bukan satu-satunya fag yang membuat keputusan yang terperinci - semuanya tanpa faedah walaupun mempunyai otak. Beberapa fag yang menjangkiti Bacillus bakteria menghasilkan molekul kecil setiap kali ia menjangkiti sel. Fag boleh merasakan molekul ini dan menggunakannya untuk kira bilangan jangkitan phage berlaku di sekeliling mereka. Seperti penceroboh asing, kiraan ini membantu memutuskan bila mereka harus menghidupkan gen replika dan bunuh mereka, membunuh hanya apabila hos agak banyak. Dengan cara ini, phages memastikan bahawa mereka tidak pernah kehabisan hos untuk menjangkiti dan menjamin kelangsungan hidup jangka panjang mereka sendiri.
Menentang perisikan balas virus
Anda mungkin tertanya-tanya mengapa anda perlu mengambil berat tentang operasi counterintelligence yang dijalankan oleh virus bakteria. Walaupun bakteria sangat berbeza daripada manusia, virus yang menjangkiti mereka adalah tidak berbeza daripada virus yang menjangkiti manusia. Agak banyak setiap helah yang dimainkan oleh phages kemudiannya telah terbukti digunakan oleh virus manusia. Jika faj boleh mengetuk talian komunikasi bakteria, mengapa virus manusia tidak mengetuk saluran komunikasi anda?
Setakat ini, penyelidik tidak tahu apa yang boleh didengari oleh virus manusia jika mereka merampas talian ini, tetapi banyak pilihan muncul di fikiran. Saya percaya bahawa, seperti phages, virus manusia berpotensi dapat mengira bilangannya untuk menyusun strategi, mengesan pertumbuhan sel dan pembentukan tisu dan juga memantau tindak balas imun. Buat masa ini, kemungkinan ini hanya spekulasi, tetapi siasatan saintifik sedang dijalankan.
Mempunyai virus yang mendengar perbualan peribadi sel anda bukanlah gambar yang paling cerah, tetapi ia bukan tanpa lapisan perak. Seperti yang diketahui oleh agensi perisikan di seluruh dunia, perisikan balas hanya berfungsi apabila ia tersembunyi. Setelah dikesan, sistem dengan mudah boleh dieksploitasi untuk memberi maklumat yang salah kepada musuh anda. Begitu juga, saya percaya bahawa terapi antiviral masa depan mungkin dapat menggabungkan artileri konvensional, seperti antivirus yang menghalang replikasi virus, dengan tipu daya peperangan maklumat, seperti membuat virus percaya bahawa sel itu berada dalam tisu yang berbeza.
Tapi, diam, jangan beritahu sesiapa. Virus mungkin mendengar!
Tentang Pengarang
Ivan Erill, Profesor Madya Sains Biologi, Universiti Maryland, Baltimore County
Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.
Buku berkaitan:
Badan Mengekalkan Skor: Otak Minda dan Badan dalam Penyembuhan Trauma
oleh Bessel van der Kolk
Buku ini meneroka hubungan antara trauma dan kesihatan fizikal dan mental, menawarkan pandangan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Nafas: Sains Baharu Seni yang Hilang
oleh James Nestor
Buku ini meneroka sains dan amalan pernafasan, menawarkan pandangan dan teknik untuk meningkatkan kesihatan fizikal dan mental.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
The Plant Paradox: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sihat" Yang Menyebabkan Penyakit dan Berat Badan
oleh Steven R. Gundry
Buku ini meneroka kaitan antara diet, kesihatan dan penyakit, menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Kod Kekebalan: Paradigma Baharu untuk Kesihatan Sebenar dan Anti-Penuaan Radikal
oleh Joel Greene
Buku ini menawarkan perspektif baharu tentang kesihatan dan imuniti, menggunakan prinsip epigenetik dan menawarkan pandangan serta strategi untuk mengoptimumkan kesihatan dan penuaan.
Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan
Panduan Lengkap Puasa: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Selang Selang, Hari Bergantian dan Berpanjangan
oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore
Buku ini meneroka sains dan amalan berpuasa yang menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.
