باکتری‌ها چطور لحظه حمله ویروس را لو می‌دهند؟
گروه علمی و فناوری برنا/ پژوهشگران سازوکار شگفت‌انگیزی را کشف کرده‌اند که به باکتری‌ها امکان می‌دهد حمله ویروس‌ها را از طریق فعالیت یکی از آنزیم‌های ضروری ویروس شناسایی کنند. این یافته که در مجله Science منتشر شده است می‌تواند به توسعه روش‌های مؤثرتر برای درمان عفونت‌های باکتریایی به‌ویژه در شرایط گسترش مقاومت آنتی‌بیوتیکی، کمک کند.
ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند و از بین می‌برند باکتریوفاژ‌ها (Bacteriophages) یا فاژ‌ها نام دارند. این ویروس‌ها به دلیل توانایی هدف قرار دادن باکتری‌ها بدون آسیب مستقیم به سلول‌های انسانی به‌عنوان ابزاری بالقوه برای مقابله با عفونت‌های باکتریایی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
با این حال استفاده درمانی از فاژ‌ها با یک چالش مهم روبه‌رو است. باکتری‌ها نیز مانند سایر موجودات زنده سازوکار‌های دفاعی خاص خود را برای مقابله با عوامل مهاجم دارند و می‌توانند ویروس‌هایی را که قصد آلوده کردن آنها را دارند شناسایی و مهار کنند. شناخت دقیق این سازوکار‌های ایمنی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا فاژ‌هایی را طراحی کنند که توانایی بیشتری برای عبور از سد دفاعی باکتری‌ها داشته باشند.
اکنون پژوهشگران دریافته‌اند که برخی باکتری‌ها برای شناسایی حمله ویروسی لزوما به دنبال تشخیص مستقیم ماده ژنتیکی ویروس نیستند بلکه فعالیت یکی از آنزیم‌های مورد نیاز ویروس برای آلوده کردن سلول را زیر نظر می‌گیرند. هنگامی که این آنزیم مولکول حسگر مهمی را درون باکتری برش می‌دهد زنجیره‌ای از واکنش‌های ایمنی فعال می‌شود و باکتری می‌تواند برای جلوگیری از تکثیر و گسترش ویروس خود را از بین ببرد.
سام هابز، استادیار بیوشیمی در دانشگاه یوتا هلث و نویسنده اول مقاله پژوهشی درباره اهمیت این کشف گفت: این یکی از رایج‌ترین شکل‌های ایمنی در باکتری‌هاست بنابراین زمانی که سرانجام سازوکار آن را کشف کردیم لحظه‌ای واقعا شگفت‌انگیز و سرشار از درک علمی بود.
سامانه دفاعی باکتری‌ها در برابر ویروس‌ها چگونه عمل می‌کند؟
سازوکار ایمنی مورد بررسی در این پژوهش سامانه CBASS نام دارد. این سامانه یکی از راهبرد‌های دفاعی باکتری‌ها در برابر حمله فاژهاست و پس از فعال شدن می‌تواند به واکنشی بسیار شدید منجر شود: باکتری آلوده پیش از آنکه ویروس فرصت تکثیر و انتشار به سلول‌های باکتریایی مجاور را پیدا کند، خود را از بین می‌برد.
این راهبرد دفاعی که به نوعی فداکاری سلولی شباهت دارد از گسترش عفونت در جمعیت باکتریایی جلوگیری می‌کند. با این حال از آنجا که فعال شدن چنین واکنشی به مرگ خود باکتری منجر می‌شود سامانه دفاعی باید بتواند با اطمینان کافی تشخیص دهد که حمله‌ای واقعی در حال وقوع است.
پژوهشگران دریافتند حسگر باکتریایی به مولکولی واکنش نشان می‌دهد که ویروس مهاجم برای ادامه فرایند عفونت به آن وابسته است.
برخی فاژ‌ها آنزیم‌هایی به نام پروتئاز (Protease) تولید می‌کنند. پروتئاز‌ها با برش دادن پروتئین‌ها ساختار آنها را تغییر می‌دهند یا موجب تجزیه آنها می‌شوند و در فرایند‌های مختلف زیستی نقش دارند.
بر اساس یافته‌های این پژوهش پروتئاز برخی فاژ‌ها مستقیما روی پروتئین میزبان یعنی پروتئین موجود در سلول باکتریایی، اثر می‌گذارد. همین برش پروتئینی به‌عنوان علامتی برای شناسایی حمله ویروسی عمل می‌کند و مسیر پیام‌رسانی ایمنی CBASS را فعال می‌سازد.
هابز در توضیح این فرایند گفت: برخی انواع فاژ‌ها پروتئینی به نام پروتئاز دارند که پروتئین‌های دیگر را تجزیه می‌کند. ما دریافتیم که پروتئاز فاژ مستقیما روی پروتئین میزبان اثر می‌گذارد و همین اتفاق سیگنالی است که کل مسیر پیام‌رسانی را فعال می‌کند.
ویروس در جریان حمله، از یکی از ابزار‌های مولکولی مورد نیاز خود استفاده می‌کند، اما همین فعالیت آنزیمی می‌تواند هویت آن را برای سامانه ایمنی باکتری آشکار کند. هنگامی که پروتئاز ویروسی پروتئین باکتریایی را برش می‌دهد این رویداد به‌عنوان زنگ خطری برای سلول عمل می‌کند و پاسخ دفاعی را به راه می‌اندازد.
سازوکاری متفاوت از شناسایی مستقیم ماده ژنتیکی ویروس
اهمیت این کشف در آن است که سازوکار شناسایی حمله ویروسی در سامانه مورد مطالعه با برخی مسیر‌های دفاعی شناخته‌شده تفاوت دارد. در بسیاری از سازوکار‌های ضدویروسی، ماده ژنتیکی ویروس، یعنی DNA یا RNA به‌عنوان نشانه حضور عامل مهاجم شناسایی می‌شود، اما در این مورد باکتری فعالیت یک پروتئین ویروسی را تشخیص می‌دهد.
این تفاوت نشان می‌دهد که سامانه‌های ایمنی باکتریایی می‌توانند نه‌تنها حضور اجزای ویروس بلکه فعالیت‌های مولکولی ضروری آن را نیز به‌عنوان نشانه‌ای از عفونت در نظر بگیرند.
هابز درباره ماهیت این سازوکار گفت: این یک سازوکار کاملا جدید برای فعال شدن این پروتئین‌های میزبان است. هرگز تصور نمی‌کردم که این فرایند به این شکل عمل کند.
شناخت چگونگی فعال شدن پروتئین‌های حسگر و نحوه آغاز زنجیره پیام‌رسانی ایمنی می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا تعامل میان باکتری‌ها و فاژ‌ها را با جزئیات بیشتری بررسی کنند. چنین دانشی برای درک بهتر نحوه شناسایی مهاجمان و همچنین شناسایی راه‌های احتمالی دور زدن یا مهار پاسخ‌های دفاعی باکتری‌ها اهمیت دارد.
امکان بهبود فاژدرمانی در مقابله با مقاومت آنتی‌بیوتیکی
یکی از کاربرد‌های بالقوه این یافته کمک به توسعه فاژدرمانی (Phage Therapy) است، روشی که در آن از باکتریوفاژ‌ها برای هدف قرار دادن باکتری‌های بیماری‌زا استفاده می‌شود.
افزایش مقاومت آنتی‌بیوتیکی، درمان برخی عفونت‌های باکتریایی را دشوارتر کرده است و به همین دلیل پژوهشگران به دنبال روش‌های جایگزین یا مکمل برای مقابله با باکتری‌های مقاوم هستند. فاژ‌ها به دلیل توانایی آلوده کردن باکتری‌های مشخص و از بین بردن آنها، یکی از گزینه‌های مورد توجه در این زمینه به شمار می‌روند.
با این حال توانایی باکتری‌ها در شناسایی فاژ‌های مهاجم و فعال کردن سامانه‌های ایمنی ضدویروسی می‌تواند اثربخشی این روش درمانی را محدود کند. اگر دانشمندان بدانند باکتری‌ها دقیقا چگونه حضور یک فاژ را تشخیص می‌دهند ممکن است بتوانند ویروس‌های درمانی را به‌گونه‌ای طراحی یا انتخاب کنند که کمتر در معرض شناسایی قرار بگیرند یا بهتر بتوانند از سد دفاعی باکتری عبور کنند.
یافته جدید به‌ویژه از این جهت اهمیت دارد که یک نقطه مشخص از تعامل مولکولی میان فاژ و باکتری یعنی فعالیت پروتئاز ویروس و نحوه واکنش پروتئین حسگر باکتریایی به آن را آشکار می‌کند.
البته این کشف به معنای دستیابی فوری به درمانی جدید نیست. برای تبدیل این شناخت مولکولی به روش درمانی موثر لازم است پژوهش‌های بیشتری انجام شود تا مشخص شود این سازوکار در چه طیفی از باکتری‌ها و فاژ‌ها عمل می‌کند و چگونه می‌توان از آن برای افزایش اثربخشی فاژدرمانی بهره گرفت.
ارتباط تکاملی دفاع ضدویروسی با ایمنی انسان
پیامدهای این پژوهش ممکن است به دنیای باکتری‌ها محدود نباشد. سامانه CBASS با یکی از مسیر‌های ایمنی موجود در انسان ارتباط تکاملی دارد. این ارتباط نشان می‌دهد که برخی عناصر بنیادی سازوکار‌های دفاعی در برابر ویروس‌ها ممکن است ریشه‌هایی بسیار کهن داشته باشند.
به گفته پژوهشگران این ارتباط تکاملی حاکی از آن است که مسیر‌های مرتبط با این سامانه دست‌کم به نیای مشترک بسیار دوری بازمی‌گردند که در گذشته تکاملی باکتری‌ها و انسان‌ها وجود داشته است.
باکتری‌ها به دلیل سرعت بالای تولیدمثل و تکامل مدل‌های مناسبی برای مطالعه پرسش‌های بنیادی زیست‌شناسی از جمله نحوه عملکرد سامانه‌های ایمنی به شمار می‌روند. دانشمندان می‌توانند سازوکار‌های دفاعی را در این موجودات با سرعت بیشتری بررسی کنند و سپس ارزیابی کنند که آیا اصول مشابهی در مدل‌های زیستی نزدیک‌تر به انسان نیز وجود دارد یا خیر.
هابز در این باره گفت: این واقعیت که این سامانه‌ها در باکتری‌ها و انسان‌ها حفظ شده‌اند نشان می‌دهد که آنها در سراسر این مسیر تکاملی در موجودات مختلف باقی مانده‌اند. سلول‌ها به ما نشان می‌دهند که این مسیر تا چه اندازه مهم است، زیرا آن را طی میلیارد‌ها سال حفظ کرده‌اند. این موضوع بسیار شگفت‌انگیز است و دریچه‌ای جالب به سوی درک عواملی می‌گشاید که برای حفظ توانایی مقابله با ویروس‌ها اهمیت دارند.
حفظ شدن مسیر‌های زیستی مشابه در موجودات مختلف طی دوره‌های طولانی تکامل می‌تواند نشانه‌ای از اهمیت عملکردی آنها باشد. با این حال وجود ارتباط تکاملی میان این سامانه‌ها به معنای یکسان بودن کامل عملکرد آنها در باکتری‌ها و انسان نیست و بررسی شباهت‌ها و تفاوت‌های دقیق آنها به پژوهش‌های بیشتری نیاز دارد.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Science و در مقاله‌ای با عنوان «Phage proteases activate CBASS antiphage immunity» منتشر شده است. این مقاله به بررسی چگونگی فعال شدن ایمنی ضدفاژی CBASS به‌واسطه پروتئاز‌های فاژ می‌پردازد.
این یافته با روشن کردن یکی از سازوکار‌های مولکولی شناسایی ویروس‌ها در باکتری‌ها، درک دانشمندان از دفاع ضدویروسی را گسترش می‌دهد و می‌تواند زمینه‌ساز پژوهش‌های بیشتر درباره تعامل میان فاژ‌ها و باکتری‌ها، تکامل سامانه‌های ایمنی و توسعه روش‌های نوین مقابله با عفونت‌های باکتریایی باشد.
انتهای پیام/
