Kako SNIPE izravno štiti bakterije

Novo istraživanje Odjela za biologiju na MIT-u, nedavno objavljeno u časopisu Nature, opisuje obrambeni sustav koji je integriran u zaštitnu membranu koja enkapsulira bakterije.

SNIPE, što je kratica za surface-associated nuclease inhibiting phage entry (površinsko povezana nukleaza koja inhibira ulazak faga), sadrži nukleaznu domenu koja cijepa genetski materijal, usitnjavajući genom napadajućeg faga u bezopasne fragmente prije nego što može prisvojiti molekularni mehanizam domaćina za stvaranje više faga.

Daniel Saxton, postdoktorand u Laub laboratoriju i prvi autor rada, isprva je bio privučen proučavanjem ovog bakterijskog obrambenog sustava u  E. coli, dijelom i zato što je vrlo neobično imati nukleazu koja se lokalizira na membrani, budući da većina nukleaza slobodno pluta u citoplazmi, želatinoznoj tekućini koja ispunjava prostor unutar stanica.

„Druga stvar koja mi je privukla pažnju jest da je ovo nešto što nazivamo izravnim obrambenim sustavom, što znači da kada fag inficira stanicu, ta stanica će zapravo preživjeti napad“, kaže Saxton. „Teško je izravno se obraniti od faga u stanici i preživjeti - ali ovaj obrambeni sustav to može.“

Za Saxtona, projekt je došao u središte pozornosti tijekom eksperimenta temeljenog na fluorescenciji u kojem bi se virusni genetski materijal osvijetlio ako bi uspješno prodro u bakterije.

„SNIPE je uništavao DNK faga tako brzo da nismo mogli vidjeti ni fluorescentnu točku“, prisjeća se Saxton. „Mislim da nikada prije nisam vidio tako učinkovit obrambeni sustav - možete baražno zasuti bakterije stotinama faga po stanici, ali SNIPE je poput vrhunske zaštite.“

Kada je nukleazna domena SNIPE-a mutirana tako da nije mogla usitnjavati DNK, fluorescentne mrlje su se pojavile kao i obično, a bakterija je podlegla infekciji fagom.

Bakterije održavaju strogu kontrolu nad svim svojim obrambenim sustavima, kako se ne bi okrenule protiv svog domaćina. Neki sustavi ostaju uspavani sve dok se ne aktiviraju, na primjer, kako bi zaustavili svu translaciju svih proteina u stanici, dok drugi mogu razlikovati bakterijsku DNK od strane, invazijske DNK faga.

Postojala su samo dva prethodno karakterizirana mehanizma u potonjoj kategoriji prije nego što su istraživači otkrili SNIPE. 

Saxton kaže da su radu morali pristupiti na pomalo zaobilazan način jer trenutno ne postoje objavljene strukture koje prikazuju sve korake injekcije fagnog genoma. Proučavanje procesa na membrani je izazovno: Membrane su guste i kaotične, a injekcija fagnog genoma je vrlo prolazan proces koji traje samo nekoliko minuta.

Čini se da SNIPE prepoznaje virusnu DNK interakcijom s proteinima koje fag koristi za tuneliranje kroz zaštitnu membranu bakterije. Ova „subcelularna lokalizacija“, prema Saxtonu, također može spriječiti SNIPE da nenamjerno usitnjava vlastiti genetski materijal bakterije.

Model opisan u radu je da se jedna regija SNIPE-a veže na protein bakterijske membrane nazvan ManYZ, dok se druga regija vjerojatno veže na protein mjerne trake iz faga.

Protein, mjerna traka, dobio je ime jer određuje duljinu repa faga - dijela faga između malih, nožastih izbočina i lukovičaste glave, koji sadrži genetski materijal faga. Istraživači su otkrili da protein faga, mjerna traka, ulazi u citoplazmu tijekom injekcije, fenomen koji prije nije bio fizički demonstriran.

Saxton se nada da će budući rad proširiti naše razumijevanje onoga što se događa tijekom injektiranja fagnog genoma i otkriti strukture uključenih proteina, posebno tunelski kompleks u membrani kroz koji fagi ubacuju svoj genom.