فعال سازی پروفاژ، بیوفیلم های باکتریایی را به کارخانه های DNA قابل برنامه ریزی تبدیل می کند

مکانیسم‌های پنهان در DNA خارج سلولی به ویروس‌های نهفته اجازه می‌دهد تا معمار ابرساختارها شوند.

برای چندین دهه، ماتریکس متراکم و چسبنده بیوفیلم های باکتریایی عمدتاً به عنوان یک سپر بیولوژیکی دیده می شد: قلعه ای نامنظم از قندها، پروتئین ها و زباله های سلولی که برای مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها طراحی شده بودند. درون این ماتریکس، DNA خارج سلولی (eDNA) مدت‌ها به‌عنوان یک اثر ژنومی صرف، ساختارهای غیرفعالی که توسط باکتری‌های مرده باقی مانده‌اند، کنار گذاشته می‌شد.

مطالعه جدیدی که توسط گابریل آنتونیو اس. مینیرو و تیمش در دانشگاه آرهوس انجام شد، اساساً این پارادایم را شکسته است. کار آنها یک مکانیسم پنهان و بسیار هماهنگ را نشان داده است که در آن ویروس های غیرفعال (پروفاژها) نه به عنوان قاتل مخرب بلکه به عنوان معماران دقیق عمل می کنند: آنها جوامع باکتریایی زنده را برای سنتز روبناهای اسید نوکلئیک کاتالیزوری پیشرفته به طور مستقیم در فضای خارج سلولی برنامه ریزی می کنند.

این کشف شکاف بین ویروس شناسی تکاملی، علم زیست مواد و زیست شناسی مصنوعی را پر می کند. این درک اساسی ما از دینامیک ویروسی-باکتریایی را به چالش می کشد و یک مرز کاملاً جدید را معرفی می کند: سنتز زنده و مستقل مواد زیستی.

فقط آثار منفعل وجود ندارد

در بیوفیلم های باکتریایی، استرس فراگیر و محدودیت کوتاه مدت مواد مغذی اغلب باعث فعال شدن پروفاژ می شود. به طور سنتی، علم به ما می‌آموزد که این فرآیند به نابودی کامل ختم می‌شود: ویروس (فاژ) تکثیر می‌شود، سلول میزبان را لیز می‌کند (از بین می‌برد)، بقایای ژنومی غیرفعال را به محیط می‌ریزد و چرخه زندگی میزبان فاژ به پایان می‌رسد.

Minero و همکارانش در دانشگاه آرهوس و دانشگاه گیسن نگاهی دقیق‌تر انداختند و مکانیزمی بسیار پیچیده و منسجم پیدا کردند. در حالی که فعال‌سازی پروفاژ زیرجمعیتی از باکتری‌ها را لیز می‌کند، به طور همزمان دستگاه‌های تکثیر ویروسی بسیار تخصصی را در ماتریکس بیوفیلم آزاد می‌کند. این ماشین به جای ایجاد زباله های سلولی تصادفی، همانندسازی دایره نورد نامحدود (RCR) را در خارج از سلول ها با استفاده از دئوکسی ریبونوکلئوتیدهای موجود به عنوان بلوک های سازنده DNA آغاز می کند.

این ماشین خارج سلولی با استفاده از ماتریس بیوفیلم باقیمانده به عنوان یک محیط واکنش محافظ و ازدحام، سنتز ساختارهای DNA تک رشته ای طولانی و تکراری را به صورت الگو انجام می دهد و به ابرساختارهای گل و سیم تا می شود. این نشان‌دهنده گذار عظیم از ساختارهای غیرفعال به شبکه‌های بسیار سازمان‌یافته و فعال از بیومواد است که در فضای خارج سلولی بیوفیلم زنده رخ می‌دهد.

یک تغییر پارادایم قابل برنامه ریزی برای مواد زیستی اسید نوکلئیک

یک سویه گزارشگر فلورسنت ارائه شده توسط Kai Thormann (دانشگاه گیسن) به تیم Minero اجازه داد تا فعال سازی پروفاژ را با استفاده از S. oneidensis به عنوان یک سلول میزبان آنها دریافتند که ساختارهای تولید شده توسط فرآیند بیوسنتز مبتنی بر پروفاژ غنی از گوانین هستند که به آنها اجازه می دهد تا به طور خود به خود به ساختارهای پیچیده G-quadruplex (GQ) تبدیل شوند.

چنین ساختارهایی واقعیت فیزیکی و شیمیایی بیوفیلم را دگرگون می‌کنند: «گل‌ها» کروی با مرتبه بالا و شبکه‌های متراکم و سیم‌مانند که توسط DNA تا شده تشکیل شده‌اند، به طور چشمگیری یکپارچگی مکانیکی بیوفیلم (داربست ساختاری) را تقویت می‌کنند و با اتصال به هِم اطراف (مثلاً یک ساختار آهن آلی در مجموعه‌های خونی قدرتمند GQ یا این‌ها در محیط NNA یافت می‌شود). فعالیت کاتالیزوری پراکسیداز مانند، تبدیل ماتریس بیوفیلم در یک راکتور شیمیایی فعال.

چیزی که این کشف را به ویژه هیجان انگیز می کند، قابلیت برنامه ریزی ذاتی مکانیزم است.

با درک سیگنال‌های ویروسی که این تکثیر را آغاز می‌کنند، دانشمندان اکنون می‌توانند فعال‌سازی پروفاژ را به‌عنوان یک سوئیچ کنترل‌شده و هدایت‌شده eDNA مورد بررسی قرار دهند. با تغییر الگوی برون‌زا، محققان می‌توانند از نظر تئوری جوامع باکتریایی زنده را برای سنتز توالی‌های DNA سفارشی، آپتامرهای عملکردی، یا شبکه‌های DNAzyme کاتالیزوری به طور مستقیم در محیط سلولی برنامه‌ریزی کنند و نیاز به سنتزهای آنزیمی گران قیمت و وسایل حمل و نقل دست و پا گیر را دور بزنند.

بهره برداری از فعال سازی پروفاژ برای بیوسنتز

برای مدت طولانی، رابطه بین پیامبران و میزبانان آنها به عنوان یک کشمکش دوتایی بین خواب و مرگ تلقی می شد. کار Minero بعد سوم را معرفی می کند: ساختار کلان تعاونی. این ویروس از بخشی از جمعیت باکتریایی برای ساختن یک “خانه مشترک” مستحکم برای میزبانان بازمانده استفاده می کند و بقای طولانی مدت مخزن ویروسی را تضمین می کند.

این ما را وادار می کند که هدف تکاملی فعال سازی پروفاژ را دوباره تعریف کنیم.

بیوتکنولوژی مدرن برای تولید اسیدهای نوکلئیک ساختاریافته، به شدت به روش‌های مصنوعی پرهزینه و پر انرژی متکی است. بنابراین، استفاده از داربست های DNA در مقیاس زیست محیطی محدود است. این کار جدید طرحی برای جایگزینی کاملاً پایدار، غیرمتمرکز و خود مونتاژکننده ارائه می‌کند. با استفاده از سیستم‌های باکتریایی طبیعی که توسط عوامل محیطی ساده (مانند محدودیت مواد مغذی) تحریک می‌شوند، می‌توان بیومواد کاربردی و کاتالیزوری را در مقیاس با ضایعات شیمیایی صفر رشد داد.

تیم Minero یک پدیده میکروبیولوژیکی کلاسیک – لیز ویروسی – را می گیرد و آن را از طریق دریچه علم پیشرفته زیست مواد تفسیر می کند. همانطور که ما به آینده ای می نگریم که تحت سلطه زیست شناسی مصنوعی و تولید زیستی است، این کار به عنوان یادآوری آشکار است که قوی ترین فناوری های طبیعت اغلب در ژنوم میکروب های زیر پای ما نوشته شده اند.

مقاله نوشته شده توسط G. A. S. Minero.

این کار توسط بنیاد ویلوم تامین شده است.

مرجع: G. A. S. Minero و همکاران، فعال سازی پروفاژ باعث سنتز DNA خارج سلولی در بیوفیلم های باکتریایی با چرخش همانند سازی دایره ای می شود.، آنژو. شیمی. ویرایش داخلی DOI: 10.1002/anie.3695434 [OPEN ACCESS]