כמו בני אדם שנאבקים לעבור את מגיפת COVID-19, תאי חיידקים זקוקים להתרחקות חברתית כדי לסכל וירוסים. אבל במצבים מסוימים, כמו בתוך מעליות או בתוך מבני חיידקים בצבע ממתקים הידועים כ"גרגרים ורודים", להישאר בנפרד פשוט לא אפשרי.
נראים כמו חנונים שנשפכו או פופ רוקס, גרגרי היער הוורודים הקהילתיים, הרב-תאיים, מלכלכים את פני השטח השקועים של ביצות המלח בוודס הול וסביבתה. מחקר חדש שנערך במעבדה ביולוגית ימית (MBL) חושף עדויות לכך שמנגנון גנטי עשוי לסייע לחיידקים בוני פירות יער -; ואחרים כמוהם -; להגן מפני מחלות. המחקר, שפורסם השבוע ב הליכים של האקדמיה הלאומית למדעיםיש גם השלכות על הבנת האבולוציה של אורגניזמים חד-תאיים, כמו חיידקים, לרב-תאיים מורכבים, כולל בני אדם.
זה מספר לנו על האתגרים שעמדנו בפנינו כשהיינו כדורי תאים קטנים. אם אתה יוצר מבנים רב-תאיים, אתה צריך לפתח כמה הגנות חיסוניות די מפוארות כדי להישאר בחיים."
ליזי ווילבנקס, עמיתת MBL ויטמן ומיקרוביולוגית באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה
מערכות מסתוריות יוצרות מוטציות
ווילבנקס נתקל לראשונה בגרגרי היער הוורודים כסטודנט לתואר שני שנרשם לקורס גיוון מיקרוביאלי של MBL. אגרגטים כדוריים אלה הם בין המבנים שחיידקים יוצרים כאשר פרטים דומים מבחינה גנטית נצמדים זה לזה ומתאמים את פעילותם. הגרגרים הוורודים מאוכלסים במין חיידקים הנקראים Thiohalocapsa PSB1, שמזין את עצמו באמצעות גופרית ואור, בתוספת מספר קטן יחסית של חיידקים סימביוטיים אחרים. על ידי עבודה משותפת, תאים אלה יוצרים כיסים נקיים מחמצן, שעלולים להרעיל אותם, ולקבל את המשקל הדרוש כדי להתמקם בבטחה בבית הגידול האידיאלי שלהם.
כמו כל האורגניזמים, חיידקים משתפים פעולה אלו מסתכנים להידבק בנגיפים מסביבתם. לפירות יער ורודים ולחיידקים רב-תאיים אחרים יש צורך מוגבר בהגנה, שכן -; כמונו -; הם מורכבים מתאים דומים מבחינה גנטית ארוזים יחד, ללא ריחוק חברתי אפשרי.
"זה קוקטייל מושלם למגיפה שתפוצץ ותחסל הכל", אומר ווילבנקס.
דרך שותפתה בלייר פול, עוזרת מדען ב-MBL, למדה ווילבנקס על מנגנון גנטי יוצא דופן שהם מצאו בשפע בתוכו Thiohalocapsa. מערכת זו המכונה רטרו-אלמנטים המייצרים גיוון (DGRs), מכילה קטעים של DNA המועתקים ל-RNA וחוזרים ל-DNA באמצעות תהליך נוטה לשגיאות, ואז מוכנסים לגן יעד למוטציה.
בדרך זו, DGRs מציגים הרבה וריאציות גנטיות חדשות, חומר הגלם להסתגלות, לנקודות ספציפיות בתוך הגנום. מדענים מצאו את המערכות הללו בוירוסים, חיידקים וחיידקים אחרים הנקראים ארכאים, אך הם לא מבינים עד הסוף כיצד החיידקים משתמשים בהם.
ווילבנקס והוגו דורה, אז מדען פוסט-דוקטורט במעבדתה והמחבר הראשון של המחקר, החלו לדון במה DGRs עשויים להשיג Thiohalocapsa. באמצעות המחקר שלהם, הם למדו שגני היעד של ה-DGRs כוללים רכיבים הקשורים לאלו שנמצאים במערכות החיסון של אורגניזמים רב-תאיים, כולל בני אדם, צמחים ואפילו כמה פטריות. הדמיון לחלקים ממערכת החיסון של אורגניזמים אחרים הניע את החוקרים לחשוד שה-DGRs עשויים לגוון את חלבוני החיישנים Thiohalocapsa משמש להגנה מפני פתוגנים, בדומה לנוגדנים במערכות החיסון שלנו.
כל האורגניזמים החיים צריכים לזהות איומים שמעולם לא נתקלו בהם קודם לכן. בני אדם ובעלי חוליות אחרים פותרים בעיה זו על ידי ערבוב ושינוי של גנים לחלבוני החיישנים (נוגדנים) שלהם כדי ליצור צבא מגוון של זקיפים. למרות שמחקרים עדכניים הראו שמרכיבים רבים של מערכת החיסון המולדת שלנו התפתחו מאבות חיידקים, מדענים מעולם לא ראו בחיידקים דבר כמו הנוגדנים ההיפר-מגוון שלנו.
קשר אימונולוגי נרחב
הצוות הסתכל לראשונה באופן נרחב על DGRs שנמצאו בחיידקים וארכיאה, תוך התמקדות בגן האחראי להפיכת RNA בחזרה ל-DNA. שיטה זו מחלקת את ה-DGRs מחיידקים וארכיאה לשתי קבוצות. בתוך הקבוצה אליה Thiohalocapsa שייך, הם גילו ש-82 אחוזים מה-DGRs שייכים לחיידקים היוצרים מבנים רבים-תאים, שיתופי פעולה, הדומים לגרגרי היער הוורודים. למרות שהם השתייכו לחיידקים קרובים רחוקים, השינויים של ה-DGRs נוטים להשפיע על אותו סוג של גנים של מערכת החיסון כפי שהם עושים ב Thiohalocapsa.
בבחינת מאות גרגרי יער ורודים בודדים, הם מצאו ש-DGRs גיוון באופן פעיל 14 מתוך 15 גני המטרה הכוללים Thiohalocapsa. כמות השונות שנמצאה עבור גנים אלה השתנתה, עם זאת, בהתאם לאתר שממנו נאספו הגרגרים הוורודים. הנגיפים בבריכות באותה ביצה עשויים להשתנות -; אולי מניע את ההבדלים שהצוות ראה.
"הגבול הבא הוא מראה מה Thiohalocapsa למעשה עושה עם ה-DGRs שלה בסביבה", אומר ווילבנקס.
בנוסף להציע הצצה לאבולוציה של החיים, למחקר הזה יש השלכות מעשיות. מפעלי טיהור שפכים משתמשים בחיידקים רב-תאיים כדי להסיר חומרים מזינים שעלולים לפגוע במערכות אקולוגיות מקומיות, וחוקרים פדרליים ותעשייתיים בוחנים שורה של יישומים אחרים לגושים מהונדסים של חיידקים. מבנים מיקרוביאליים אלו עומדים בפני אותו אתגר -; מגיפות ויראליות -; כמו פירות היער הוורודים. בעת הנדסת מערכות מיקרוביאליות אלו, אומר וילבנקס, הגיוני לחקות את החסינות המבוססת על DGR של חיידקים קהילתיים פראיים.
