Sciencemag.cz
Doporučujeme
Na rozdíl od dravých bakteriofágů, GTA spolupracují s bakteriemi při přenosu DNA.
Strukturní virolog Pavol Bárdy a jeho kolegové, v čele s vedoucím výzkumné skupiny Pavlem Plevkou z institutu CEITEC Masarykovy univerzity, byli prvními vědci, kteří odhalili strukturu částice označované gene transfer agent (GTA) a popsali konformační změny, které musí nastat, aby GTA mohlo doručit DNA z jedné bakterie do druhé. Tímto se vědci přiblížili k pochopení doposud neznámého mechanismu, kterým GTA přenášejí DNA. Jejich zjištění by mohla být užitečná pro vývoj biotechnologických řešení, jejichž cílem je dopravit požadované geny do mikroorganismů. Tato vědecká studie byla publikována dne 15. 6. 2020 v časopise Nature Communications.
Horizontální přenos genů je pohyb genetického materiálu mezi organismy jiným než vertikálním přenosem DNA z rodiče na potomstvo, který probíhá během reprodukce. Horizontální přenos genů je důležitým faktorem v evolučním vývoji mnoha organismů. GTA jsou částice, které produkují jednoduché jednobuněčné organismy zvané prokaryota. Ačkoli existuje několik mechanismů horizontálního přenosu genů, GTA jsou mnohem účinnější než jiné metody, a to díky své schopnosti zapouzdřit a ochránit přenášené geny. GTA jsou částice podobné viru, které jsou produkovány některými prokaryotami těsně předtím, než zemřou, s cílem zachovat jejich DNA. Existují různé typy GTA, které vznikly nezávisle na virech v několika bakteriálních a archeálních liniích.
V současnosti nejvíce charakterizované GTA je produkováno nejhojněji rozšířeným oceánským mikroorganismem, alfaproteobakteriemi příbuznými Rhodobacteru capsulatus, zkráceně RcGTA. RcGTA je důležitým aktérem evoluce v oceánech. Přestože jsou RcGTA prozatím nejvíce studované GTA, přesný mechanismus, kterým dopravují DNA do buněk, byl až doposud neznámý. Tým strukturních virologů z laboratoře Pavla Plevky se rozhodl prozkoumat jeho strukturní vlastnosti pomocí kryo-elektronové mikroskopie a odhalit tajemství tohoto fascinujícího mechanismu genetického přenosu. Výzkumná skupina postavila svůj výzkum na svých rozsáhlých znalostech struktury bakteriofágů, které jsou evolučními předky GTA.
Ochočený a promiskuitní příbuzný bakteriofága
Mnoho prokaryotických mikroorganismů produkuje GTA, které jsou strukturně podobné bakteriálním virům neboli bakteriofágům (zkráceně fágům). GTA se vytváří, když jsou buňky ve stresu, například kvůli Gene Transfer Agent (GTA)nedostatku živin. Stresované buňky komunikují mezi sebou a maximálně jedno procento buněk z dané populace pak iniciuje syntézu GTA, které nesou krátké náhodné kusy genomů bakteriálních buněk. Buňky produkující GTA poté umírají, ale zanechávají kousky svého DNA bezpečně zapouzdřené v uvolněných GTA, které je přenášejí do buněk v okolí. Tento systém je výhodný pro jednotlivé geny, protože jim poskytuje způsob, jak přežít, když buňky umírají.
Je možné, že bakteriofágy vznikly z GTA, které byly vytvořeny ranými formami života. Ještě pravděpodobnější je teorie, že GTA mohou být „ochočení“ fágové, které si bakterie uzpůsobily k šíření jejich DNA. „Struktura RcGTA se podobá struktuře fága, ale RcGTA má menší hlavičku než fág, což omezuje jeho kapacitu balení DNA. Jeho bičík má rysy jak fágů s dlouhými bičíky z čeledi Siphoviridae, tak fágů s krátkými bičíky z čeledi Podoviridae,“ vysvětluje Pavol Bárdy, první autor této studie.
Na rozdíl od dravých bakteriofágů, GTA spolupracují s bakteriemi při přenosu DNA. Otvor v zúžené části těla RcGTA umožňuje vyloučení DNA do bakteriální periplasmy, což je prostor mezi vnějšími a vnitřními membránami gramnegativních bakterií. Fágy naopak propíchnou jak obě membrány, tak buněčnou stěnu, a vyloučí své genomy do bakterií bez aktivní spoluúčasti infikované buňky.
Zajímavé také je, že se GTA chovají promiskuitním způsobem a pronikají do různých druhů buněk ve svém okolí, aby co nejlépe zajistily přežití náhodných kusů DNA z původní buňky. „V GTA jsme tak našli jakousi genetickou fosilii. Zatímco fágy se vyvíjejí velmi rychle kvůli neustálé soutěži s bakteriální imunitou, genetická informace GTA je součástí pomaleji se vyvíjejícího bakteriálního genomu. Tím pádem jsme byli schopni pozorovat strukturní rysy, které mohly být přítomny u evolučních předků fágů,“ dodal Pavel Plevka, korespondenční autor studie.
Nicméně použití GTA k přenosu DNA nese pro buňky riziko. GTA by se mohly začít chovat jako fágy a zabíjet bakteriální buňky, které je produkují. GTA by mohly získat schopnost sobecky zapouzdřit geny, které kódují jejich proteiny. V takovém případě by GTA už neposkytovaly žádnou službu ostatním genům buňky. Sobecké GTA by se v takovém případě chovaly jako virus, což by byla pro jeho původce katastrofa. Výzkumný tým ale ve své studii identifikoval nejméně čtyři obranné mechanismy, které tomu zabraňují. „RcGTA má menší hlavičku než fág a DNA je v ní zabalena s nižší hustotou. Do hlavičky se tak dají zabalit pouze čtyři geny. Přitom k vytvoření samotné částice GTA je potřeba osmnáct genů, kterou jsou u RcGTA rozptýleny v pěti odlišných lokalitách bakteriálního genomu. Tím pádem je zapotřebí nejméně devíti částic k zapouzdření celého DNA kódu RcGTA. Důležité také je, že částice RcGTA nezprostředkovávají přenos genů samy o sobě. Buňky příjemců musí aktivně akceptovat DNA, kterou RcGTA přenáší,“ vysvětlil Plevka. Strukturní vlastnosti RcGTA naznačují, že tento mechanizmus je jakýmsi ochočeným produktem bakterií, který jim slouží. Četné mechanismy, které brání reverzi RcGTA na agresivní životní styl fága dokazují, že buňky mořského mikroorganismu Rhodobacter capsulatus jsou pod evolučním tlakem, který se této reverzi snaží zabránit.
GTA mají mimořádný potenciál v biotechnologiích, protože jsou schopny zprostředkovat vysoce efektivní přepravu vybrané genetické informace do buněk. GTA by mohly být použity k tomu, aby vytvářely buňky s žádoucími vlastnostmi, jako je například schopnost produkovat nové enzymy. První autor studie Pavol Bárdy se proto rozhodl pokračovat v studovaní této fascinující částice i v rámci svého postdoktorálního výzkumu v zahraničí.
