Absolutní odolnost bakterií vůči virům dosažená genomickými metodami
15.5.2023 |
Jedním z problémů současné aplikované biotechnologie je genetická a v důsledku i fenotypová nestálost produkčních mikroorganismů, která vede ke snížení efektivity procesu či kontaminaci výsledného produktu. K tomuto fenoménu značně přispívá působení bakteriofágů - virů, jejichž hostiteli jsou bakterie. Z toho důvodu se tým vědců z Blavatnikova a Wyssova Institutu Harvardovy univerzity v posledních letech zabýval výzkumem možných mechanismů, kterými by bakterie mohly získávat odolnost vůči těmto virům.
Slibné výsledky jejich výzkumu byly v březnu tohoto roku publikovány v časopise Nature ve formě článku popisujícího principy, kterými se vědci pokusili bakteriální resistence proti virům dosáhnout u bakterie E. coli. Výzkumníci stavěli na experimentech z minulého roku, ve kterých se pokoušeli dosáhnout zmíněné resistence tím, že v celém bakteriálním genomu provedly takové změny, díky nimž by všechny buněčné proteiny byly kódovány pouze 61 kodony namísto běžných 64. Absence třech specifických kodonů a jim příslušících tRNA by v konečném důsledku měla zabránit virům množit se v daných bakteriích. Výsledky byly vesměs pozitivní, nicméně ukázalo se, že resistence není úplná proto, že z genetické informace některých virů byly tvořeny chybějící komponenty a samotná celogenomová eliminace tří kodonů tedy nebyla dostatečná.
Řešení tohoto problému však na sebe nedalo dlouho čekat. V geniálních myslích vědců se zrodil nápad, že kromě celogenomového nahrazení specifických kodonů (TCG a TCA, které kódují aminokyselinu serin) a jim příslušících tRNA vloží do bakteriálního genomu ještě upravené tzv. „trickster“ (podvodné) tRNA. Tyto upravené tRNA cílí právě na kodony TCG a TCA, které v bakteriálním genomu, na rozdíl od přirozeného genomu virů, nejsou přítomné. Při translaci virové genetické informace tyto tRNA přiřazují do proteinové struktury místo serinu leucin. Tyto dvě aminokyseliny jsou chemicky velmi odlišnéné, v naprosté většině případů pak produkovaný virový protein ztrácí svou strukturu, a tedy i funkci.
V principu jsou výsledky tohoto výzkumu značným průlomem, neboť bylo prokázáno, že genetickými úpravami lze vytvořit organismus plně resistentní k virům. Výhodou takto dosažené resistence je také to, že je pro viry v podstatě nemožné se na tyto změny adaptovat - muselo by současně dojít k velmi velkému množství specifických mutací, což je přirozenou evolucí prakticky nedosažitelné. Výhodou je též to, že takto upravené bakterie nejsou schopné přijímat cizorodou DNA horizontálním přenosem genů, nemohou tedy získávat např. geny resistence k antibiotikům či jiné, pro průmyslové využití nežádoucí geny. Stejně tak jakékoli modifikované geny těchto bakterií, včetně genů pro upravené tRNA, po přenesení do neupravených bakterií v životním prostředí nebudou produkovat funkční proteiny. Ve své podstatě se tak jedná o nejbezpečnější možnou formu genetické modifikace.
Dosažení celogenomových změn jako v tomto případě je samozřejmě velmi složité, což znesnadňuje jejich aplikaci do praxe. Již v současné době jsou však navrhovány různé biotechnologické aplikace využívající méně geneticky komplexní produkční organismy, v nichž by mohlo být těchto principů využito. Možnou budoucí aplikací je například produkce insulinu či biopaliv.
Zdroje: