DNR turi sudėtingą problemą. Tūkstančius kartų ilgesnė už ląstelę, kurioje ji yra, ši sudėtinga As, Ts, Gs ir Cs grandinė turi susilankstyti į kompaktišką pakuotę. Tačiau plona dvigubos spiralės molekulė jokiu būdu negali užsikimšti, kad nesusidarytų siaubingai surišta. Be to, ląstelei reikia tam tikrų grandinės segmentų – tam tikrų genų, kad jie liktų prieinami baltymų gamybos mašinoms, o kiti liktų paslėpti ir išjungti. Tai tarsi žaidimas „Tetris“ su susivėlusiu siūlų kamuoliuku.
Branduolio turinčios „eukariotinės“ ląstelės, kurių tipas yra žmonėms, augalams ir gyvūnams, priklauso nuo sudėtingos cheminių žymenų ir specializuotų baltymų sąveikos, kad pateiktų nurodymus, kokius genus įjungti ir kada.sistema, vadinama epigenetika. Dešimtmečius mokslininkai manė, kad epigenetinis reguliavimas būdingas tik eukariotų ląstelėms ir trūko paprastesnių, pavyzdžiui, bakterijų. Tačiau daugybė naujesnių išvadų užginčijo šią idėją.
„Bakterijos yra daug sudėtingesnės, nei kas nors suprato“, – sako Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje mikrobiologas Davidas Lowas.
Nauji Mičigano universiteto biochemikų Ursula Jakob ir Peter Freddolino tyrimai atskleidžia, kad sąveika tarp DNR surišančių baltymų ir senovės molekulės, vadinamos polifosfatu, padeda plačiu mastu įjungti ir išjungti bakterijų genus. Šios išvados ne tik daugiau pasako mokslininkams apie tokių organizmų pagrindinę biologiją, bet ir gali padėti mokslininkams sureguliuoti genetiškai modifikuotas bakterijas biotechnologijoms ir netgi prisidėti prie naujų antibiotikų.
„Bakterijos nešiojasi savo pačių sunaikinimo sėklas, ir mes galbūt galėsime pašalinti jas išlaikončias represijas. [those seeds] žemyn “, – sako Freddolino.
Jau seniai žinoma, kad eukariotinės ląstelės naudoja kelis reguliavimo sluoksnius, kontroliuodamos, kurie genai yra aktyvūs ir kiek kiekvienas iš jų pagamina tam tikro baltymo. Kita vertus, bakterijų DNR vadovėliuose paprastai buvo vaizduojama kaip ilga inertinės stygos dalis, laukianti, kol bus perrašyta. Ši idėja pradėjo skleistis 1994 m., kai Lowas atrado, kad cheminė žyma, vadinama metilo grupe, gali blokuoti bakterijų transkripciją – tai, mokslininkų nuomone, būdinga tik eukariotų ląstelėms.
Bėgant metams atsirado daugiau panašumų. Pavyzdžiui, eukariotinės ląstelės pritvirtina chemines žymes ir baltymus, vadinamus histonais, kad paslėptų genomo dalis. Praėjusiais metais Freddolino laboratorija parodė, kad bakterijos naudoja analogišką strategiją: mokslininkai nustatė 200 regionų viduje konors Escherichia coli genomas, kuris nutildytas naudojant chemines žymes ir struktūras, vadinamas su nukleoidais susijusiais baltymais (NAP).
Dėl neseniai atlikto tyrimo EMBO žurnalasFreddolino parodė, kad NAP veikė panašiai, kad nutildytų tam tikras bakterijų genomo dalis tolimose giminingose rūšyse. E. coli ir Bacillus subtilis. NAP veikia kaip karkasas, aplink kurį apvyniojama dalis DNR, todėl ląstelės baltymų gamybos mechanizmai fiziškai negali pasiekti toje dalyje esančių genų. Šis poveikis yra labai svarbus bakterijoms: jis leidžia joms užsandarinti išorinės DNR fragmentus ir virusus, kurie įsiskverbė į bakterijų genomą, ir leidžia joms atskirti retai naudojamus genus, kai jų nereikia.
Tačiau NAP neveikia vieni. Norėdami nustatyti, kas verčia juos išjungti DNR dalis, Freddolino ir Jakobas atkreipė dėmesį į polifosfatą. Ši molekulė buvo naudojama energijai kaupti ankstyvame Žemės gyvenime, o ląstelėse ji atliko įvairias funkcijas. 2020 metais Jakobas tai atrado mutantas E. coli Nesugebėję susintetinti polifosfato, parodė didesnį aktyvumą genuose, absorbuotuose iš išorės, ir kad šis aktyvumas vaidina pagrindinį vaidmenį ląstelių mirtyje dėl DNR pažeidimo.
Neseniai į Mokslo pažanga, Jakob ir Freddolino parodė, kad neigiamo krūvio polifosfatas prisijungia prie teigiamai įkrautų NAP, naudojant procesą, vadinamą skysčio ir skysčio fazės atskyrimu, kurio metu itin tankios baltymų grupės kondensuojasi į mažus lašelius. Kai prie NAP prisijungia vis daugiau polifosfato, įprastai išsibarsčiusi polifosfato, NAP ir DNR struktūra tampa organizuota. Lygiai taip pat, kaip aliejaus lašeliai gali susidaryti net gerai sumaišytame vinegrete, baltymų, DNR ir polifosfato lašeliai gali sustingti bakterijų ląstelėse – ir tai blokuoja genomo dalis nuo transkripcijos. Procesui nereikia papildomų pagalbinių baltymų, o jį galima pakeisti, kai sumažėja polifosfatų kiekis.
Šie tyrimai yra svarbus žingsnis siekiant suprasti bakterijų epigenetiką, sako Leideno universiteto biochemikas Remus Dame, kuris nedalyvavo nė viename tyrime. „Yra rimta priežastis manyti, kad pasaulinė struktūra, kurioje šie genai yra įterpti, lemia jų aktyvumą“, – sako jis. “Tai tikrai kažkas labai naujo ir labai karšto, tai reiškia, kad turime kitaip pažvelgti į mūsų interesų sistemą.”
Freddolino sako, kad kai jo kolegos, besidomintys biotechnologijomis, pirmą kartą sužinojo apie šiuos rezultatus, jie pradėjo naudoti šias žinias, kad įterptų inžinerinius genus į bakterijų genomo vietas, kurios optimizuoja baltymų gamybą. Anot jo, procesas nuo to laiko tapo „kryžiuoti pirštus ir tikėtis geriausio“ iki patikimos strategijos, kuri veikia beveik kiekvieną kartą.
Masačusetso technologijos institute biochemikas Peteris Dedonas tiria, kaip mokslininkai gali sukurti naujus antibiotikus naudodami šiuos mechanizmus. Jo laboratorijos (ir kitų visame pasaulyje) darbas rodo, kad bakterijos įjungia ir išjungia genus, kad padėtų užkrėsti šeimininkus ir atsispirtų antibiotikams. Dedonas įsivaizduoja mažą molekulę, kuri galėtų trukdyti šiam procesui ir išlaikyti išjungtas bakterijos infekciją skatinančias savybes arba atsparumo antibiotikams genus; Kita galimybė būtų sutrikdyti polifosfato gebėjimą prisijungti prie NAP. Tai nesunaikintų bakterijų, tačiau dėl to jos būtų mažiau pajėgios sukelti ligas ir imlesnės imuninės sistemos atakoms. „Ten yra didelis potencialas“, – sako Dedonas. „Yra visiškai naujas antibiotikų taikinių pasaulis.
Bakterijų epigenetika yra puikus dėmesys antibiotikų vystymuisi, sako Jakobas, nes jos mechanizmai yra bendri daugeliui bakterijų rūšių, tačiau naudojami iš esmės skirtingi baltymai nei eukariotinės ląstelės. Tai reiškia, kad mokslininkai gali konkrečiai nukreipti bakterijų baltymus ir nesikišti į paties organizmo epigenetinius procesus, sako Jakobas: „Tai būdas užkirsti kelią ligoms nežudant ląstelės“.