ویروس ها از توانایی درک محیط برای به حداکثر رساندن بازده عفونی خود استفاده می کنند

تحقیقات جدید به رهبری UMBC در مرزها در میکروبیولوژی نشان می دهد که ویروس ها از اطلاعات محیط خود برای “تصمیم گیری” استفاده می کنند که چه زمانی در میزبان خود محکم بنشینند و چه زمانی تکثیر شوند و منفجر شوند و سلول میزبان را بکشند. این کار پیامدهایی برای توسعه داروهای ضد ویروسی دارد.

ایوان اریل، استاد علوم زیستی و نویسنده ارشد مقاله جدید، می‌گوید توانایی یک ویروس برای احساس محیط خود، از جمله عناصر تولید شده توسط میزبان، “لایه دیگری از پیچیدگی را به تعامل ویروس-میزبان می‌افزاید.” در حال حاضر، ویروس ها از این توانایی به نفع خود سوء استفاده می کنند. او می گوید اما در آینده می توانیم از آن به ضرر آنها سوء استفاده کنیم.

تصادفی نیست

مطالعه جدید بر روی باکتریوفاژها متمرکز شده است؛ ویروس هایی که باکتری ها را آلوده می کنند که اغلب به آنها “فاژ” می گویند. فاژهای مورد مطالعه تنها زمانی می توانند میزبان خود را آلوده کنند که سلول های باکتری دارای زائده های خاصی به نام پیلی و تاژک باشند که به حرکت و جفت شدن باکتری کمک می کند. باکتری ها پروتئینی به نام CtrA تولید می کنند که زمان تولید این زائده ها را کنترل می کند. مقاله جدید نشان می‌دهد که بسیاری از فاژهای وابسته به زائده دارای الگوهایی در DNA خود هستند که پروتئین CtrA می‌تواند به آن‌ها متصل شود که به آن مکان‌های اتصال می‌گویند. اریل می گوید فاژی که محل اتصال پروتئینی که توسط میزبانش تولید می شود غیرعادی است.

حتی شگفت‌آورتر، اریل و اولین نویسنده مقاله الیا ماسکولو، دکتری. دانشجویی در آزمایشگاه اریل، از طریق تجزیه و تحلیل دقیق ژنومی دریافتند که این مکان‌های اتصال منحصر به یک فاژ یا حتی یک گروه منفرد از فاژها نیستند. بسیاری از انواع مختلف فاژها دارای محل اتصال CtrA بودند، اما همه آنها نیاز داشتند که میزبان خود پیلی و/یا تاژک داشته باشد تا آنها را آلوده کند. این نمی تواند تصادفی باشد، آنها تصمیم گرفتند.

اریل می گوید، توانایی نظارت بر سطوح CtrA “در طول تکامل چندین بار توسط فاژهای مختلف که باکتری های مختلف را آلوده می کنند ابداع شده است.” هنگامی که گونه‌های مرتبط با فاصله دور یک ویژگی مشابه را نشان می‌دهند، به آن تکامل همگرا می‌گویند و نشان می‌دهد که این ویژگی قطعاً مفید است.

زمان بندی همه چیز است

چین و چروک دیگری در داستان: اولین فاژی که در آن تیم تحقیقاتی محل های اتصال CtrA را شناسایی کردند، گروه خاصی از باکتری ها به نام Caulobacterales را آلوده می کند. Caulobacterales گروهی از باکتری‌ها هستند که به‌خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، زیرا آنها به دو شکل وجود دارند: یک شکل “Swarmer” که آزادانه در اطراف شنا می‌کند و یک شکل “ساقه‌دار” که به یک سطح می‌چسبد. ازدحام ها دارای پیلی/تاژک هستند و ساقه ها فاقد آن هستند. در این باکتری‌ها، CtrA چرخه سلولی را تنظیم می‌کند و تعیین می‌کند که آیا یک سلول به طور مساوی به دو نوع سلولی مشابه تقسیم می‌شود یا به صورت نامتقارن تقسیم می‌شود تا یک سلول ازدحام و یک سلول ساقه تولید شود.

از آنجایی که فاژها فقط می توانند سلول های ازدحامی را آلوده کنند، به نفع آنهاست که تنها زمانی که سلول های ازدحامی زیادی برای آلوده کردن وجود دارد، از میزبان خود خارج شوند. به طور کلی، کولوباکترال ها در محیط های فقیر از مواد مغذی زندگی می کنند و بسیار پراکنده هستند. اریل می‌گوید: «اما وقتی آنها یک جیب خوب از میکروسکوپ پیدا می‌کنند، تبدیل به سلول‌های ساقه‌دار می‌شوند و تکثیر می‌شوند.» و در نهایت مقادیر زیادی سلول ازدحامی تولید می‌کنند.

بنابراین، اریل می‌گوید: «ما فرض می‌کنیم که فاژها سطوح CtrA را که در طول چرخه زندگی سلول‌ها بالا و پایین می‌رود، نظارت می‌کنند تا بفهمند چه زمانی سلول ازدحامی در حال تبدیل شدن به یک سلول ساقه و تبدیل شدن به کارخانه ازدحام‌ها است. در آن نقطه، سلول را می‌شکنند، زیرا تعداد زیادی ازدحام در این نزدیکی‌ها وجود خواهند داشت تا آلوده شوند.”

گوش دادن در

متأسفانه، روش اثبات این فرضیه کار فشرده و بسیار دشوار است، به طوری که بخشی از این مقاله اخیر نبود؛ اگرچه اریل و همکاران امیدوارند در آینده به این سؤال بپردازند. با این حال، تیم تحقیقاتی هیچ توضیح قابل قبول دیگری برای تکثیر مکان‌های اتصال CtrA در بسیاری از فاژهای مختلف نمی‌بیند، که همگی برای آلوده کردن میزبان خود به پیلی/فلاژلا نیاز دارند. آنها خاطرنشان می کنند که حتی جالب تر، پیامدهایی برای ویروس هایی است که سایر ارگانیسم ها – حتی انسان ها را آلوده می کنند.

او می‌گوید: «هر چیزی که در مورد فاژها می‌دانیم، هر استراتژی تکاملی که آنها توسعه داده‌اند، نشان داده شده است که به ویروس‌هایی تبدیل می‌شود که گیاهان و حیوانات را آلوده می‌کنند. بنابراین اگر فاژها به میزبان خود گوش دهند، ویروس‌هایی که بر انسان‌ها تأثیر می‌گذارند حتماً همین کار را می‌کنند.»

چند نمونه مستند دیگر از فاژها وجود دارد که محیط خود را به روش‌های جالبی بررسی می‌کنند، اما هیچ‌کدام شامل فاژهای متفاوتی نمی‌شود که از استراتژی مشابهی علیه میزبان‌های باکتریایی استفاده می‌کنند.

اریل می‌گوید: «این تحقیق جدید اولین نمایش دامنه وسیعی است که فاژها به آنچه در سلول می‌گذرد گوش می‌دهند، در این مورد، از نظر رشد سلولی». اما او پیش بینی می کند که نمونه های بیشتری در راه است. او می‌گوید در حال حاضر، اعضای آزمایشگاه او شروع به جستجوی گیرنده‌هایی برای سایر مولکول‌های تنظیم‌کننده باکتری در فاژ کرده‌اند، و آنها در حال یافتن آنها هستند.

راه های درمانی جدید

اریل می‌گوید نکته کلیدی این تحقیق این است که «ویروس از هوش سلولی برای تصمیم‌گیری استفاده می‌کند، و اگر در باکتری‌ها اتفاق می‌افتد، تقریباً به طور قطع در گیاهان و حیوانات نیز اتفاق می‌افتد، زیرا اگر یک استراتژی تکاملی منطقی باشد، تکامل آن را کشف خواهد کرد و از آن بهره برداری خواهد کرد.”

برای مثال، برای بهینه‌سازی استراتژی خود برای بقا و تکثیر، یک ویروس حیوانی ممکن است بخواهد بداند که در چه نوع بافتی قرار دارد یا پاسخ ایمنی میزبان به عفونت آن چقدر قوی است. در حالی که ممکن است فکر کردن درباره همه اطلاعاتی که ویروس‌ها می‌توانند جمع‌آوری کنند و احتمالاً از آنها برای بیمارتر کردن ما استفاده می‌کنند ناراحت‌کننده باشد، این اکتشافات همچنین راه‌هایی را برای درمان‌های جدید باز می‌کند.

اریل می گوید: «اگر در حال تولید یک داروی ضد ویروسی هستید و می دانید که ویروس به سیگنال خاصی گوش می دهد، شاید بتوانید ویروس را فریب دهید. با این حال، این چند قدم دورتر است. اریل می‌گوید: «درحال‌حاضر، ما تازه شروع به درک این موضوع کرده‌ایم که چگونه ویروس‌ها به طور فعال به ما نگاه می‌کنند – چگونه آن‌ها آنچه را که در اطرافشان می‌گذرد نظارت می‌کنند و بر اساس آن تصمیم می‌گیرند.» “این شگفت انگیز است.”