Skaityti PDF - Iliustruotasis mokslas

Mikrobiologija žengė milžinišką žingsnį į priekį, ji padėsgaminti saugesnius maisto produktus ir veiksmingiaukovoti su mikrobų gebėjimu įgyti atsparumo daugeliuipreparatų. Tyrinėtojai nustatė, kad bakterijos pasižymididesniu atsparumu užkrečiamoms ligoms, jų imuninėsistema gali aptikti virusą ir sustabdyti jo plitimą.VirusasBakterijosprieš virususImunitetasKai esi apsuptas priešų, visada geriaurankoje turėti vieną ar kelisginklus. Bakterijos tiesiog meistriškaigeba išgyventi ir plisti, nors, vaizdžiaikalbant, būna puolamos virusųordų. Ilgą laiką buvo neaišku, kas jomspadeda.Mokslininkai aptiko genialų gynybosginklą ir atskleidė visiškai kitokį mikrobųimuninės sistemos vaizdą. Turėdamosgud rų apsaugos mechanizmą bakterijos,panašiai kaip žmonės, išmoksta atsimintivirusą ir labai greitai pasirengia gynybai.Iki šiol buvo manoma, kad tokio pobūdžioimuninė sistema būdinga tik aukštesniemsorganizmams, todėl šis mokslininkųatradimas atveria plačias perspektyvas.Naujai aptiktas mechanizmas gali būtinaudojamas daugelyje sričių – ir gaminantsūrį, ir kuriant efektyvesnius vaistusnuo sunkių ligų.Bakterijos išsaugo viruso DNRNaujų tyrimų, paskatinusių mikrobiologijosšuolį, istorija prasidėjo 1987 metais,kai japonų mokslininkai nustatė, kaddaugelis bakterijų turi mažus darinius ištrumpų pasikartojančių DNR sekų. Ganailgai buvo manoma, kad šios pasikartojančiossekos atlieka tik kelias funkcijas irtėra praeities liekana, tačiau 2002 metaisgenetikas Philippe’as Horvathas, atlikdamastyrimus danų biotechnologijų įmonėje„Danisco“, gaminančioje bakterijų kultūrasmaisto pramonei, tarppa sikartojančių sekų aptiko šį tą įdomaus.Mokslininkas tuo metu tyrinėjo pienopramonėje daugiausia jogurtams ir sūriamsgaminti gausiai naudojamas bakterijasStreptococcus thermophilus.Virusai pieno pramonei kelia dideliųproblemų ir pridaro daug nuostolių, nesgali sunaikinti visas pieno rūgšties bakterijasir visiškai sugadinti pieno produktųpartiją. Taigi Horvathas labai susidomėjo,kai pastebėjo, kad vienos bakterijos genomeyra žinomo viruso genomo dalis.Informacija apie virusą glūdėjo tarppasikartojančių DNR sekų ir vargiai galėjobūti evoliucijos atsitiktinumas – virusogenetinė medžiaga turėjo būti vienaipViruso DNRAptikusi virusą irnustačiusi jo DNR,bakterijos imuninėsistema akimirksniugali jį efektyviai įveikti.Išaiškinta34Parengė Rasmus Kragh Jakobsen. Iliustracijos Claus Lunau

ar kitaip įtraukta į bakterijos genomą.Horvathas iškart suprato, kad iki šiol niekonedominę dariniai gali atlikti vienąsvarbiausių vaidmenų bakterijos imuninėjesistemoje. Dariniai, pavadinti CRISPR(Clustered Regularly Interspaced ShortPalindromic Repeats), sudaro iki 50 DNRbazių sekas su trumpais tarpais. Sekosgali pasikartoti iki 250 kartų. Šiuose tarpuoseir glūdi viruso DNR.Horvathas su grupe bendradarbių nusprendėatlikti paprastą eksperimentą. Žinoma,kad bakterijos, atsilaikiusios priešpuolantį virusą, kitą kartą būna jam atsparios.Horvathas užkrėtė bakterijų kolonijasdviem virusais – šių virusų antpuolį išgyvenodevynios bakterijos. Mokslininkaiištyrė, kad visų devynių bakterijų genomasperėmė anksčiau jame nebuvusias 1–4 virusoDNR dalis.Mokslininkai nuodugniau ištyrė bakterijasir nustatė, kad jos, perėmusios daugiauviruso DNR, tapo atsparesnės. Taippat išaiškėjo, kad bakterija netenka atsparumo,kai mokslininkai iš jos pašalina virusoDNR, ir priešingai – perkėlus virusoDNR į kitų bakterijų CRISPR sritį jos įgavoimunitetą. Mokslininkai neabejoja, kadpasikartojantys DNR dariniai yra labaisvarbus imuninės sistemos mechanizmas.Manoma, kad bakterijos gali sugautimažus viruso DNR fragmentus, CRISPRsrityje prijungti juos prie savo genomo irvėliau panaudoti kovai su naujais virusais.Kaip tiksliai veikia šis mechanizmas,mokslininkai dar nežino, aišku tik tiek,kad su šiais CRISPR srityje vykstančiaisprocesais yra susiję vadinamieji CAS genai.Taip pat žinoma, kad bakterijos tampaatsparios ne vienam virusui. Eksperimentepanaudotos trijų rūšių bakterijos tapo atspariosabiem virusams, nors buvo užkrėstostik vienu. Regis, tai visiškai nepaaiškinama,tačiau kruopščiai ištyrinėjusbakterijose esančių virusų DNR, paslaptįpavyko atskleisti. Abu virusai buvo ganapanašūs – 93 procentai jų genetinio kodobuvo identiški, o DNR fragmentas atitikoabiejų genetinę informaciją. Vadinasi, perėmusiosvieno viruso DNR fragmentą, bakterijostampa atsparios daugeliui panašiųvirusų. Horvathas kartu su tyrinėtojų grupenustatė, kad bakterijos neieško vieno arkelių pažeidžiamų viruso genų, jos perimainformaciją, pasklidusią po visą viruso genomą.Kitaip tariant, visi požymiai rodo,kad CRISPR mechanizmas veikia plačiai irfunkcionuoja kaip atmintis – lygiai kaipžmogaus imuninė sistema.Virusui neleidžiama išplistiNors dar ne viskas iki galo aišku, atskirosšio apsaugos mechanizmo detalės leidžiasusidaryti tokį vaizdą: kai bakterija išgyvenapirmą viruso puolimą – galbūt todėl,kad virusas susilpnėjo arba jam kas norssutrukdė, – ji perima ir išsaugo savoCRISPR srityje dalį viruso genetinės medžiagos.Kai viruso DNR atsiduria bakterijosDNR, bakterija ima gaminti kopijas, ovėl puolant virusui jos kartu su CAS baltymaistikriausiai prisijungia prie viruso genetinėsmedžiagos. Tuomet virusas pasmerktasžūti, nes jo genetinė medžiagasuardoma prieš jam išplintant. Tai šiektiek skiriasi nuo žmogaus imuninės sistemos,kurios imunines reakcijas koordinuojabaltyminės medžiagos, o ne genetinėmedžiaga.„Pirmą kartą pastebėta, kad sekos atliekabiologinę funkciją“, – sako Philippe’asHorvathas. Bakterijų imuninės sistemosatradimas atveria milžiniškas galimybes.Paskelbus šį atradimą viso pasaulio mokslininkaiėmė ieškoti kuo daugiau jo pritaikymogalimybių. „Svarbiausia, kad mesgalime apsaugoti šiuo metu naudojamasnaudingas bakterijas“, – sako JAVLawrence’o Barkeley nacionalinės laboratorijos(Lawrence Barkeley National Laboratory)profesorius Rotemas Sorekas.„Danisco“ gamina pieno rūgšties bakterijas,skirtas jogurtams ir sūriams gaminti,tačiau bakterijos naudojamos ir daugelyjekitų sričių. Pavyzdžiui, bakterijos valomiestų nuotekas, padeda utilizuoti išsiliejusiąnaftą, naudojamos vynui gaminti irt. t. Kiekviena bakterijų rūšis turi savo paskirtį,atlieka tik joms skirtą užduotį. Didžiausiabėda, kad kultūrinės bakterijossmarkiai nukenčia nuo virusų – jos auginamostankiomis kolonijomis, o virusuitai tik palengvina darbą.„Žinodami apie CRISPR, turime galimybępadidinti bakterijų atsparumą“, – sakoRotemas Sorekas ir kaip pavyzdį pateikianuotekų valymą. Nuotekose esančias nuodingasmedžiagas apdoroja bakterijos Accumulibacter,tačiau labai dažnai jos žūsta,ir nuotekų valymo įrenginiai blogai veikia,užterštas vanduo pasklinda po didžiulęteritoriją. Mokslininkai neseniai ištyrė,kad Accumulibacter taip pat turi CRISPR, taigigalima sustiprinti šių bakterijų imuninęŽinios apie bakterijų imuninęsistemą gali padėti ir maistopramonei – pavyzdžiui, apsaugotibakterijas, padedančias gamintijogurtus ir sūrius.spl/focisistemą – kad veiksmingiau kovotų su virusaisir išvengtų žūties.CRISPR – universalus įrankisCRISPR mechanizmą galima naudoti ir kitosesrityse. Pavyzdžiui, pasitelkus CRISPRgalima nustatyti pramoninio šnipinėjimoatvejus ar vagystes. Tereikia į bakterijąįkelti tam tikrą DNR parašą. Horvathas teigia,kad šitaip būtų galima stebėti bakterijųkultūras, pasižyminčias specialiais „Da-Pagalba gero siomsbakterijomsnisco“ kodais, ir aptikti, jei konkurentaiimtų jas neteisėtai veisti. CRISPR gali būtinaudojamas ir mokslo tyrimuose, taip patkuriant naujus maisto produktus. CRISPRpadeda atskirti skirtingas tos pačios rūšiesbakterijų šeimas ir leidžia išvesti naujasbakterijų rūšis, turinčias pageidaujamųsavybių.Mokslininkai tikisi, kad galės panaudotiCRISPR tyrinėdami bakterijų genus. Žinant,kaip veikia CRISPR, „išjungiant“Bakterijos DNR pasiruošusi kovai1. Virusas puola bakteriją: jissiunčia savo genetinęmedžiagą (DNR) į bakterijosvidų.Lygiai taip pat kaip žmonių, bakterijų imunitetas po viruso antpuolio„atsimena“, koks tai buvo virusas. Taigi kai toks pats virusas puolakitą kartą, bakterijos jau jį pažįsta ir būna pasiruošusios kovai.Bakterijų imuninę sistemą sudaro tam tikros sekos, vadinamosCRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats),– keli trumpi DNR bazių fragmentai, pasikartojantys tam tikrąkartų skaičių su nedideliais pertrūkiais. Pasikartojančias sekas dažniausiaisudaro 24–46 DNR bazės, atskirtos tarpų, kurių ilgis 26–72DNR bazės. Iliustracijoje parodyta grandinė, kurią sudaro kur kasmažiau bazių.DNR grandinėje, be CRISPR, visada yra tam tikras skaičius CASgenų (CRISPR Associated Sequences Genes), kurie svarbūs funkcionuojantimuninei sistemai. Jie gamina baltymus, kovojančius supuolančiu virusu.VirusasBakterijos DNR2. Virusas įsitvirtina bakterijoje irpriverčia ją gaminti daugiau virusoDNR.3. Galiausiai bakterijasuskyla į naujo viruso debesį.CRISPR sritisspl/fociMikroskopu darytoje nuotraukojematomas virusas, ką tik nusileidęsant bakterijos.Viruso DNR4. Kai kuriosbakterijos atremiapuolimą ir įsavo genetinęmedžiagą „įsirašo“viruso DNR.CAS genai5. Viruso genetinė medžiagaįtraukiama į bakterijos DNR,CRISPR sritį. Šalia CRISPRišsidėstę CAS genai.CRISPR fragmentasĮrašytaviruso DNR

vieną geną po kito turėtų būti gana nesunkugreitai nustatyti kiekvieno genofunkciją. Pasak „Danisco“ tyrimų vadovoEgono Becho Hanseno, kitas žingsnis – paprastųorganizmų, pavyzdžiui, mielių, ovėliau ir augalų tyrimai.Šiuo metu mokslininkai pirmiausiastengiasi perprasti, kaip ir kokiomis sąlygomisveikia CRISPR, ir išsiaiškinti, ar įmanomaimuninės sistemos mechanizmąperkelti iš vienų bakterijų kitoms. BechasHansenas tikisi, kad per keletą metų pavykssužinoti, kaip veikia bakterijos imunitetas,o tada bus įmanoma, tarsi kokiąįrašytą duomenų laikmeną perkeltiCRISPR kitoms bakterijoms, neturinčiomsCRISPR, kad šios taptų atsparios virusams.Kitas žingsnis – mielės ir pelėsiai, kurieplačiai naudojami pramonėje ir apie kuriuosmokslininkai jau turi sukaupę pakankamaižinių. Ir mielės, ir pelėsiai yraaukštesni organizmai, vadinami eukariotais.Jie skiriasi nuo bakterijų tuo, kad jųląstelės turi branduolį, kuriame sukauptagenetinė medžiaga. Juos puola visiškai kitivirusai nei bakterijas, tačiau tai iš esmėsneturėtų sukliudyti perkelti į eukariotusCRISPR mechanizmo ir panaudoti kovai sukenksmingais virusais. Jei šitaip pavyktų6. CRISPR sritis transkribuojama į ilgą RNR seką,kurią galima padalyti į mažesnes sekos grandines.Manoma, kad kiekvieną grandinę sudarys virusoDNR fragmentas, apsuptas pusės CRISPR fragmento.Kiekviena grandinė atitinka tam tikrą virusogenetinės medžiagos fragmentą.apsaugoti, pavyzdžiui, mieles, iš bakterijųir mielių mikropasaulio būtų galima žvalgytisir į didesnius organizmus. Augalai,gyvūnai, žmonės – tokie pat eukariotai,mūsų ląstelės panašesnės į mielių ląstelesnei į bakterijų.Javus ir kitas grūdines kultūras, kaip irbakterijas bei mieles, puola virusai. Ši tyrimųsritis turi milžinišką ekonominį potencialą– jei pavyktų perkelti CRISPR į įvairiusaugalus, jie būtų kur kas pranašesnirinkoje.Negalima atmesti ir galimybės sistemąpritaikyti gyvūnams bei žmonėms, tačiau,kaip pabrėžia Egonas Bechas Hansenas, tiktuo atveju, jei „žmonija susidurtų su neįveikiamagrėsme“. CRISPR perkėlimas įžmogaus genomą prilygtų transgeniniožmogaus sukūrimui, t. y. genetiniam žmogausmodifikavimui, o padarinius būtųsunku numatyti. Tokiam žingsniui tikrainesame pasiruošę.7. CAS baltymai susikaupiaaplink RNR grandines, tada šisimuninis kompleksas gali nustatytinaujo viruso genetinėsmedžiagos vietą.8. Naujo viruso ataka.CAS baltymaiVirusas gali išgelbėti žmonijąGalimas ir kitas variantas – CRISPR panaudotine prieš virusus, o kovai su mikrobais.Viena didžiausių šių laikų medicinos problemų,kad stinga veiksmingų vaistų, naikinančiųmikrobus. Gydant užkrečiamąsiasligas nuolat susiduriama suatspariomis daugeliui preparatų infekcijomis,dažnai būna bandomi visi įmanomiantibiotikai, bet nė vieni nepadeda. Gydytojaijau seniai įspėja, kad žmonijai gresiantisnaujas ligų proveržis prilygsiąsbombai. Iki penicilino išradimo žmonėsneretai mirdavo susižeidę ar lūžus kaului.Į kovą su mikrobais žmonija pakilo palygintineseniai – kiek mažiau nei prieš šimtąmetų, tačiau žinomi antibiotikai šiandiennebėra tokie veiksmingi, ir jei nebusišrasta naujų vaistų, ši kova gali labai greitaibaigtis pralaimėjimu.Galbūt efektyviam gydymui ir mikrobamsnaikinti galėtų padėti CRISPR? Žinantsvarbius bakterijų imuninės sistemosmechanizmus galima kurti naujos rūšiesantibiotikus, kurie būtų nukreipti priešCRISPR ir jį pažeistų, o paskui darbą pabaigtųvirusas bakteriofagas. Šį metodągalima pavadinti gydymu bakteriofagais.Įdomu tai, kad ši mintis anaiptol ne nauja,ir šios metodikos laikomasi kai kuriosebuvusios Sovietų Sąjungos ligoninėse.Kelios didelės Vakarų medicinos bendrovėskadaise jau buvo begaminančiosvaistus, pagrįstus bakteriofagais, tačiauišradus antibiotikus ir jiems įsigalėjus, metodasbuvo užmirštas. Vis dėlto SovietųSąjungoje virusų bakteriofagų tyrimaibuvo tęsiami ir jų pagrindu kuriamos mikrobųnaikinimo priemonės. Metodas plačiaitaikomas Gruzijoje, Tbilisio Eliavosinstitute. Jo mokslininkai jau daugiau kaip80 metų kuria bakterijų virusus, kovojančiussu mikrobais. Pasitelkus CRISPR, virususbūtų galima naudoti dar efektyviau.Šis atradimas buvo padarytas pačiu laiku,nes pastaraisiais metais įvairūs gydymometodai pasitelkiant virusus vėl ėmė plistiir Vakarų šalyse.Nuo nuodingo maisto – purškalasVienas garsiausių gydymo bakteriofagaistyrinėtojų gruzinas dr. Aleksanderis Sulakvelidzė,prieš dešimt metų persikėlęs įJAV ir įsteigęs įmonę „Intralytix“, sukūrėpirmąją JAV patvirtintą mikrobų naikinimopriemonę, kurios veiklioji medžiagayra virusai. „LMP102“ – šešių skirtingų virusųkokteilis, naikinantis pavojingą bakterijąListeria monocytogenes, kuri užkrečiamaistą ir kasmet nusineša daug žmoniųgyvybių.Visi šie šeši virusai, kaip nustatė juosišbandę mokslininkai, pasižymi didžiausiuaktyvumu kovoje su Listeria bakterija.10. Viruso DNRsuyra. Virusas žūsta, obakterija išgyvena.Chemikas Félixas d‘Herelle (kairėje)1923 metais papasakojo GeorgiEliavai apie bakterijų virusus. Eliavosinstitutas kovoja su infekcijomispasitelkdamas virusus (dešinėje).eliava institute & mutsumi stone9. Imuninis kompleksasprisijungia prie atitinkamoviruso DNR fragmento irsustabdo naujos užkrėstosDNR gamybą.Kova sukenksmingomisbakterijomisKai „LMP102“ įmaišomas į maistą arba užpurškiamas– virusai sumažina šių bakterijųskaičių daugiau kaip tūkstantį kartų.Jeigu pavyktų sukurti antibiotiką, galintįblokuoti CRISPR apsaugos sistemą,„LMP102“ būtų dar veiksmingesnis. Kuriamitaip pat kokteiliai, naikinantys salmoneles,jais irgi būtų galima apipurkštikiaušinius.Dar vienas naujas nuostabus produktas– pleistras. „PhiageBioDerm“, kurio sudėtyjeyra viruso, gali užmušti žaizdą užkrėtusiasbakterijas. Be to, kol žaizda užgyja,pleistras biologiškai suyra ir išnyksta pats.Šis metodas jau seniai taikomas Gruzijoje.Anglijos kompanija „Biocontrol Limited“paskelbė daug žadančius bakteriofagų taikymožalingoms bakterijoms naikinti tyrimorezultatus. Bakteriofagai buvo naudotiprieš bakteriją Pseudomonas aeruginosa, sukeliančiąchronišką ausies infekciją.Gydymas pasitelkiant virusus turi keletąpranašumų – bakterijų virusai yra natūralūs,paplitę visur, jų yra ir mūsų organizme,jie puola tik tam tikras daugeliuipreparatų atsparias bakterijas ir jas veikia.Derinamas su CRISPR antibiotikais, metodasįgyja dar daugiau galimybių ir galitapti nauju ginklu kovoje su daugeliui preparatųatspariomis bakterijomis.Pastaraisiais metais mokslininkai išsiaiškino,kad mažos DNR kopijos – RNR –kurias naudoja CRISPR mechanizmas,mūsų ląstelėse atlieka daug svarbesnį vaidmenį,nei manyta anksčiau. Didžiausiąsusidomėjimą sukėlė neseniai atrastas mechanizmas,pavadintas RNR interferencija(RNRi). Jis valdo ląstelės genus slopindamasmažus RNR fragmentus. Panašu, kadtokiu pačiu principu veikia ir CRISPR.2006 metais už RNRi atradimą buvoskirta medicinos Nobelio premija. Šiandienneabejojama, kad RNR mūsų ląstelėseyra labai svarbios. Monpeljė (Prancūzija)žmogaus genetikos instituto (Institut deGénétique Humaine) mokslininkas RobinsonasTriboulet 2007 metais įrodė, kadmaži RNR fragmentai yra labai reikšmingiląstelėms kovojant su ŽIV virusu.www.iliustruotasismokslas.lt39