הנגיפים שמדביקים חיידקים הם הישויות הביולוגיות הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ. לדוגמה, מחקר פשוט שנערך לאחרונה על 92 ראשי מקלחת ו-36 מברשות שיניים מחדרי רחצה אמריקאיים מצא יותר מ-600 סוגים של וירוסים חיידקיים, הנקראים בדרך כלל בקטריופאג'ים או פאגים. בכפית מי ים חופי יש כ-50 מיליון פאגים.
למרות שלא מורגש במידה רבה, הפאג'ים אינם פוגעים בבני אדם. להיפך, הווירוסים הללו צוברים פופולריות גוברת כתרופות ביולוגיות למיגור חיידקים פתוגניים, במיוחד אלה הקשורים לזיהומים עמידים לאנטיביוטיקה.
במחקר שפורסם בכתב העת תקשורת טבע, Gino Cingolani, Ph.D., מאוניברסיטת אלבמה בבירמינגהם, ופדריקה בריאני, Ph.D., מ-Università degli Studi di Milano, מילאנו, איטליה, תיארו את המבנה המולקולרי המלא של הפאג DEV. DEV מדביק ומפיץ את חיידקי Pseudomonas aeruginosa, פתוגן אופורטוניסטי בסיסטיק פיברוזיס ומחלות אחרות. DEV הוא חלק מקוקטייל פאג' ניסיוני שפותח כדי למגר זיהום P. aeruginosa במחקרים פרה-קליניים.
תכונה מוזרה של DEV היא הנוכחות של 3,398 חומצות אמינו RNA פולימראז הקשור ל-virion בתוך הקפסיד שנפלט לתוך החיידק עם ההדבקה. באופן בלתי צפוי, המחקר של צ'ינגולני ובריאני חשף שה-RNA פולימראז הקשור ל-virion הוא חלק ממנוע פליטת גנום השולף את ה-DNA של הפאג' מראשו לאחר שהפאג' נצמד לפני השטח של חיידק פסאודומונס באמצעות סיבי הזנב שלו. הממברנות החיצוניות והפנימיות של התא באמצעות צינור הזנב שלו.
"אנו מניחים שעקרונות התכנון של מנגנון פליטת ה-DEV נשמרים בכל הפאג'ים של Schitoviridae," אמר Cingolani. "נכון לאוקטובר 2024, למעלה מ-220 גנומים Schitoviridae רוצו וזמינים במסד הנתונים הציבורי. מכיוון שהגנומים הללו הם ברובם ללא הערות ולמסגרות קריאה פתוחות רבות יש פונקציות לא ידועות, העבודה שלנו סוללת את הדרך לזיהוי קל של רכיבים מבניים כאשר מתגלה פאג חדש של Schitoviridae."
משפחת הפאג'ים Schitoviridae "מייצגת כמה מהנגיפים החיידקיים הבלתי נחקרים ביותר בביולוגיה, המשמשים יותר ויותר בטיפול בפאג'ים", אמר סינגולני. "אנחנו משתמשים בביולוגיה מבנית כדי לפענח את אבני הבניין ולמפות תוצרי גנים. זה חיוני כאשר רצף חומצות האמינו מתפתח מהר מדי עבור ניתוח פילוגנטי קונבנציונלי."
החוקרים השתמשו בשחזור מקומי במיקרוסקופ קריו-אלקטרון, בשיטות ביוכימיות ובנוקאאוטים גנטיים כדי לתאר את הארכיטקטורה המולקולרית השלמה של DEV, שלגנום ה-DNA שלו יש 91 מסגרות קריאה פתוחות הכוללות את ה-RNA פולימראז הענק הקשור ל-virion. "ה-vRNAP הזה הוא חלק מאופרון בעל שלושה גנים ששמר את כל הגנום של Schitoviridae שניתחנו", אמר Cingolani. "אנו מציעים ששלושת החלבונים הללו ייפלטו לתוך המארח כדי ליצור מנוע פליטת גנום המשתרע על מעטפת התא."
המבנה של DEV ופאג'ים רבים אחרים דומה לגרסה זעירה של הנחתת הירח של ניל ארמסטרונג משנת 1969, עם ראש גדול, או קפסיד, המכיל את הגנום וסיבים דמויי רגליים התומכים בפאג' כשהוא נוחת על פני השטח של חיידקים. להדביק את תא החיידק החי.
החוקרים קבעו מבנים של כל גורמי הקפסיד החלבון ורכיבי הזנב ב-DEV המעורבים בהתקשרות המארח. באמצעות ניסויים גנטיים, הם הראו שסיבי ה-DEV הזנב הארוך חיוניים להדבקה של P. aeruginosa אך לא היו נחוצים כדי להדביק מוטנטים של P. aeruginosa שליפופוליסכריד פני השטח שלהם חסר אנטיגן O. באופן כללי, וירוסים מתחברים למולקולות שונות של פני התאים כשלב הראשון של זיהום.
למרות שמחקר זה מספק מספר תמונות סטילס של מבנה הפאג', החוקרים לא מבינים לגמרי את הסרט של זיהום ב-DEV. הם מדמיינים שלושה שלבים בתהליך ההדבקה הזה.
בשלב הראשון, כשפאג DEV יחיד נסחף בבידוד, סיבי הזנב הארוך והגמישים שלו משתנים כדי לשפר את הסיכוי לגעת במולקולת פני השטח של פסאודומונס ליפופוליסכריד. לאחר המגע הראשון, כל חמשת הסיבים מתחברים כדי לקשור את הפאג' בניצב קרוב למשטח החיצוני של החיידק.
בשלב השני, סיב הזנב הקצר, שפועל גם כתקע זנב, נוגע בקולטן משני ב-Pseudomonas ואות מכני משחרר את תקע הזנב.
עד לנקודה זו, שלושת החלבונים הנקראים gp73, gp72 ו-gp71 אוחסנו בתוך ראש הפאג ליד זנבו, עם צורות שישתנו באופן דרמטי כאשר הם יוצאים מראש הפאג. בשלב השלישי, כאשר הפקק נעלם, שלושת החלבונים נפלטים מהראש אל מעטפת תא החיידק. חלבון העופרת, gp73, מקפל מחדש את צורתו ליצירת נקבובית קרום חיצוני עם מרכז חלול. מתחת לזה, gp72 מתקפל מחדש לצינור חלול המתפרש על פני ה-Pseudomonas periplasm, החלל בין הממברנה החיצונית של החיידק לקרום הפנימי שלו. לבסוף, gp71 חוצה את הממברנה הפנימית ומתקפל מחדש לתוך מנוע RNA פולימראז גדול בציטופלזמה החיידקית שמושך את ה-DNA הפאג דרך תעלות gp73 ו-gp72 החלולות ולתוך תא Pseudomonas.
Cingolani, פרופסור במחלקה לביוכימיה וגנטיקה מולקולרית, הגיע לאחרונה ל-UAB כדי לעמוד בראש המרכז החדש לביולוגיה מבנית אינטגרטיבית, שאושר על ידי מועצת הנאמנים של אוניברסיטת אלבמה הקיץ. המרכז יסייע לחוקרי UAB לחקור את המבנים התלת מימדיים של מקרומולקולות ביולוגיות, כגון חלבונים וחומצות גרעין, כדי לפענח את תפקודן ומנגנוני הפעולה שלהן.
ביולוגיה מבנית אינטגרטיבית שואפת לדמיין סרט שלם של אופן פעולת מקרומולקולות, תוך שימוש במספר שיטות לצפייה במבנים מולקולריים וכיצד הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. המוקד העיקרי של מרכז UAB לביולוגיה מבנית אינטגרטיבית יהיה חקר בעיות ביולוגיות הקשורות לזיהום, דלקת, חסינות, סרטן וניוון עצבי.
מחברים משותפים עם Cingolani ו-Briani במחקר ה-DEV, "ניתוח מבני אינטגרטיבי של פאג Pseudomonas DEV מגלה מנוע פליטת גנום," הם Ravi K. Lokareddy, UAB המחלקה לביוכימיה וגנטיקה מולקולרית; Chun-Feng David Hou, Rutgers, אוניברסיטת המדינה של ניו ג'רזי, Piscataway, ניו ג'רזי; פרנצ'סקה פורטי ודיוויד ס. הורנר, Università degli Studi di Milano; סטפנו מ. איגלסיאס ופנגלין לי, בית הספר לרפואה פרלמן באוניברסיטת פנסילבניה, פילדלפיה, פנסילבניה; ומיכאיל פבלנוק ומייקל נידרווייס, המחלקה למיקרוביולוגיה של UAB.
התמיכה הגיעה מהמענקים הלאומיים לבריאות GM100888, GM140733 ו-OD030457; וה-Fondazione per la ricerca sulla Fibrosi cistica-Associazione Trentina Fibrosi Cistica ODV In ricordo di Pio Nicolini מענק FFC#15/2021.