Fager kan känna av bakteriell DNA-skada, vilket får dem att replikera och hoppa skepp. Designa celler/iStock via Getty Images Plus
Efter mer än två år av covid-19-pandemin kan du föreställa dig ett virus som en otäck spikboll – en sinneslös mördare som tar sig in i en cell och kapar sitt maskineri för att skapa en gazillion kopior av sig själv innan den spricker ut. För många virus, inklusive coronavirus som orsakar covid-19, är epitetet "mindless killer" i huvudsak sant.
Men det finns mer med virusbiologi än vad man kan se.
Ta HIV, viruset som orsakar AIDS. HIV är en retrovirus som inte går direkt på en mordrunda när den går in i en cell. Istället integrerar den sig själv i dina kromosomer och frossa och väntar på rätt ögonblick för att beordra cellen att göra kopior av den och brista ut för att infektera andra immunceller och så småningom orsaka AIDS.
Exakt vilket ögonblick hiv väntar på är fortfarande en område för aktiv studie. Men forskning på andra virus har länge antytt att dessa patogener kan vara ganska "tänksamma" när det gäller att döda. Naturligtvis kan virus inte tänka som du och jag gör. Men, som det visar sig, har evolutionen försett dem med några ganska utarbetade beslutsmekanismer. Vissa virus kommer till exempel att välja att lämna cellen de har bott i om de upptäcker DNA-skador. Inte ens virus, verkar det som att vistas i ett sjunkande skepp.
My laboratorium har studerat molekylärbiologi bakteriofager, eller fager för kort, virusen som infekterar bakterier, i över två decennier. Nyligen har jag och mina kollegor har visat att fager kan lyssna efter cellulära nyckelsignaler för att hjälpa dem i deras beslutsfattande. Ännu värre, de kan använda cellens egna "öron" för att lyssna åt dem.
Undvikande DNA-skada
Om din fiendes fiende är din vän, är fager verkligen dina vänner. fager kontrollera bakteriepopulationer i naturen, och läkare använder dem i allt större utsträckning behandla bakterieinfektioner som inte svarar på antibiotika.
Den bäst studerade fagen, lambda, fungerar lite som HIV. När lambda kommer in i bakteriecellen bestämmer sig om den ska replikera och döda cellen direkt, som de flesta virus gör, eller att integrera sig i cellens kromosom, som HIV gör. Om det senare, replikerar lambda ofarligt med sin värd varje gång bakterierna delar sig.
Den här videon visar en lambdafag som infekterar E. coli.
Men, precis som hiv, sitter inte lambda bara sysslolös. Den använder ett speciellt protein som kallas CI som ett stetoskop för att lyssna efter tecken på DNA-skada i bakteriecellen. Om bakteriens DNA äventyras är det dåliga nyheter för lambdafagen som är kapslad i den. Skadat DNA leder direkt till evolutionens soptipp eftersom det är värdelöst för fagen som behöver den för att föröka sig. Så lambda slår på sina replikationsgener, gör kopior av sig själv och spricker ut ur cellen för att leta efter fler oskadade celler att infektera.
Knacka på cellens kommunikationssystem
Vissa fager, istället för att samla information med sina egna proteiner, knackar på den infekterade cellens egen DNA-skadasensor: LexA.
Proteiner som CI och LexA är det transkriptionsfaktorer som slår på och av gener genom att binda till specifika genetiska mönster i DNA-instruktionsboken som är kromosomen. Vissa fager som Coliphage 186 har kommit på att de inte behöver sitt eget virala CI-protein om de har en kort DNA-sekvens i sina kromosomer som bakteriell LexA kan binda till. Efter att ha upptäckt DNA-skada kommer LexA att aktivera fagens replikera-och-döda gener, vilket i huvudsak dubbelkorsar cellen för att begå självmord samtidigt som fagen kan fly.
Forskare rapporterade först CI:s roll i fagbeslutsfattande i 1980s och Coliphage 186:s kontraspionagetrick i slutet av 1990 -talet. Sedan dess har det förekommit ett fåtal andra rapporter om fager som avlyssnar bakteriella kommunikationssystem. Ett exempel är fag phi29, som utnyttjar sin värds transkriptionsfaktor för att upptäcka när bakterien gör sig redo att generera en spor, eller ett slags bakterieägg kan överleva extrema miljöer. Phi29 instruerar cellen att packa in sitt DNA i sporen och döda de spirande bakterierna när sporen gror.
Transkriptionsfaktorer slår på och av gener.
I vår nyligen publicerad forskning, visar mina kollegor och jag att flera grupper av fager oberoende av varandra har utvecklat förmågan att utnyttja ytterligare ett bakteriellt kommunikationssystem: CtrA-proteinet. CtrA integrerar flera interna och externa signaler för att sätta igång olika utvecklingsprocesser hos bakterier. Nyckeln bland dessa är produktionen av bakteriella bihang som kallas flagella och pili. Det visar sig att dessa fager fäster sig vid bakteriernas pili och flageller för att infektera dem.
Vår ledande hypotes är att fager använder CtrA för att gissa när det kommer att finnas tillräckligt med bakterier i närheten av sportpili och flageller som de lätt kan infektera. Ett ganska smart knep för en "sinnelös mördare".
Dessa är inte de enda fagerna som fattar komplicerade beslut – allt utan fördelen av att ens ha en hjärna. Vissa fager som infekterar Bacill bakterier producerar en liten molekyl varje gång de infekterar en cell. Fagene kan känna av denna molekyl och använda den för att räkna antalet faginfektioner äger rum runt dem. Liksom utomjordiska inkräktare hjälper denna räkning att bestämma när de ska slå på sina replikera-och-döda gener, och dödar endast när värdarna är relativt rikliga. På så sätt ser fagerna till att de aldrig får slut på värdar för att infektera och garantera sin egen långsiktiga överlevnad.
Motverkar viral kontraintelligens
Du kanske undrar varför du ska bry dig om kontraintelligensoperationerna som drivs av bakteriella virus. Även om bakterier skiljer sig mycket från människor, är virusen som infekterar dem inte så annorlunda från virus som infekterar människor. Ganska mycket varenda knep spelas av fager har senare visat sig användas av mänskliga virus. Om en fag kan knacka på bakteriella kommunikationslinjer, varför skulle inte ett mänskligt virus knacka på din?
Än så länge vet forskarna inte vad mänskliga virus kan lyssna efter om de kapar dessa rader, men många alternativ kommer att tänka på. Jag tror att, liksom fager, mänskliga virus potentiellt skulle kunna räkna sina antal för att lägga strategi, detektera celltillväxt och vävnadsbildning och till och med övervaka immunsvar. För närvarande är dessa möjligheter bara spekulationer, men vetenskaplig undersökning pågår.
Att ha virus som lyssnar på dina cellers privata konversationer är inte den rosigaste bilden, men det är inte utan en silverkant. Som underrättelsetjänster över hela världen väl vet fungerar kontraspionage bara när det är hemligt. När det väl har upptäckts kan systemet mycket enkelt utnyttjas för att mata felinformation till din fiende. På samma sätt tror jag att framtida antivirala terapier kanske kan kombinera konventionell artilleri, som antivirala medel som förhindrar virusreplikation, med informationskrigföring, som att få viruset att tro att cellen det befinner sig i tillhör en annan vävnad.
Men tyst, säg det inte till någon. Virus kan lyssna!
Om författaren
Ivan Erill, docent i biologiska vetenskaper, University of Maryland, Baltimore County
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Relaterade böcker:
Kroppen håller poängen: Hjärnans själ och kropp i läkningen av trauma
av Bessel van der Kolk
Den här boken utforskar sambanden mellan trauma och fysisk och mental hälsa, och erbjuder insikter och strategier för läkning och återhämtning.
Klicka för mer info eller för att beställa
Breath: The New Science of a Lost Art
av James Nestor
Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av andning, och erbjuder insikter och tekniker för att förbättra fysisk och mental hälsa.
Klicka för mer info eller för att beställa
Växtparadoxen: de dolda farorna i "hälsosam" mat som orsakar sjukdomar och viktökning
av Steven R. Gundry
Den här boken utforskar kopplingarna mellan kost, hälsa och sjukdomar, och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.
Klicka för mer info eller för att beställa
Immunitetskoden: Det nya paradigmet för verklig hälsa och radikal anti-aging
av Joel Greene
Den här boken erbjuder ett nytt perspektiv på hälsa och immunitet, som bygger på principer för epigenetik och erbjuder insikter och strategier för att optimera hälsa och åldrande.
Klicka för mer info eller för att beställa
Den kompletta guiden till fasta: läka din kropp genom intermittent, varannan dag och förlängd fasta
av Dr Jason Fung och Jimmy Moore
Den här boken utforskar vetenskapen och praktiken av fasta och erbjuder insikter och strategier för att förbättra övergripande hälsa och välbefinnande.
