“สิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกมีปัญหาเดียวกัน” . กล่าว โจนาธาน คาแกนนักวิจัยด้านภูมิคุ้มกันวิทยาที่โรงพยาบาลเด็กบอสตัน “และนั่นคือการจัดการกับการติดเชื้อ” เช่นเดียวกับที่เรากังวลเกี่ยวกับการติดเชื้อแบคทีเรีย แบคทีเรียก็จับตาดูไวรัสที่เรียกว่าฟาจที่แพร่เชื้อ และเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตทั่วทุกอาณาจักรของชีวิต พวกมันได้พัฒนาคลังแสงเครื่องมือระดับโมเลกุลเพื่อต่อสู้กับการติดเชื้อ
สิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่และซับซ้อนเช่นมนุษย์สามารถกระโจนเข้าสู่ระบบภูมิคุ้มกันอันยิ่งใหญ่ของเซลล์พิเศษที่ตรวจจับหรือทำลายผู้บุกรุกได้ สิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายกว่า เช่น พืชและแบคทีเรีย มักจะต้องพึ่งพาชุดของโปรตีนที่ทำงานหลายอย่างพร้อมกัน ซึ่งเหมือนกับมีดของ Swiss Army ที่ติดตั้งไว้สำหรับทั้งสองงาน เนื่องจากการป้องกันเป็นปัญหาสากล จึงไม่น่าแปลกใจที่ระบบป้องกันเหล่านี้จำนวนมากได้รับการอนุรักษ์ไว้ผ่านวิวัฒนาการและมีการแบ่งปันกันระหว่างสิ่งมีชีวิตที่หลากหลาย รวมทั้งมนุษย์ด้วย
แต่ การศึกษาใหม่ เผยแพร่ในเดือนนี้ใน วิทยาศาสตร์ ค้นพบว่ากลุ่มโปรตีนในแบคทีเรียและอาร์เคีย ซึ่งเป็นเซลล์โปรคาริโอตธรรมดาที่มีรูปแบบชีวิตที่เก่าแก่ที่สุด สามารถตรวจจับไวรัสในแบบที่ไม่เคยเห็นมาก่อน
พอดีกับถุงมือ
เนื่องจากความก้าวหน้าในการจัดลำดับยีนและเทคนิคทางชีวสารสนเทศ การป้องกันต้านไวรัสจำนวนมากที่แบคทีเรียใช้จึงเริ่มปรากฏให้เห็นเฉพาะภายใน 50 ปีที่ผ่านมาเท่านั้น แต่ความสนใจในตัวพวกเขาเพิ่มขึ้นอย่างมากในทศวรรษที่ผ่านมาเนื่องจากเครื่องมือแก้ไขยีนอันทรงพลังที่ควบคุมระบบ CRISPR-Cas9 ของแบคทีเรีย ความสำเร็จของเครื่องมือนี้ทำให้นักวิจัยให้ความสำคัญกับการที่โมเลกุลของแบคทีเรียรู้จักไวรัสและกำจัดไวรัส
การป้องกันไวรัสเหล่านี้บางอย่าง เช่น CRISPR-Cas9 รับรู้ลำดับเฉพาะใน DNA ที่ฟาจฉีดเข้าไปในโฮสต์ของมัน คนอื่นไม่รับรู้ถึงชิ้นส่วนของไวรัสโดยตรง แต่จะตอบสนองต่อหลักฐานของอันตรายที่เกิดจากไวรัส เช่น DNA ที่เสียหายหรือกระบวนการของเซลล์ที่ผิดพลาด ซึ่งเทียบเท่ากับโมเลกุลของกระจกแตกในที่เกิดเหตุ
แต่เซ็นเซอร์ภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียที่เรียกว่าโปรตีน Avs ไม่ทำอย่างใดอย่างหนึ่งตามที่นักวิจัยนำโดย เฟิงจาง ของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และ ยูจีน คูนิน ของศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติได้ค้นพบในขณะนี้ โปรตีน Avs สามารถตรวจจับโปรตีนไวรัสที่ผลิตโดยเครื่องจักรที่ถูกจี้เซลล์ได้โดยตรง
การเฝ้าระวังโปรตีนเป็นกลยุทธ์ที่มีความเสี่ยงสำหรับจุลินทรีย์: แม้แต่การกลายพันธุ์เพียงไม่กี่ครั้งก็สามารถทำให้ลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนไม่สามารถจดจำได้ ทำให้เชื้อโรคสามารถหลบหนีการตรวจจับได้ ระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวในมนุษย์และสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่นๆ สามารถไล่ล่าโปรตีนจากไวรัสได้ เนื่องจากพวกมันสามารถปรับใช้เซลล์พิเศษจำนวนหลายพันล้านเซลล์เพื่อทำการค้นหา ซึ่งเป็นทางเลือกที่ไม่เปิดกว้างสำหรับแบคทีเรียแต่ละชนิด
ทว่ากลุ่มของ Zhang พบว่าโปรตีน Avs ไม่ได้ถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในลำดับกรดอะมิโน - หรือโดยการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่สำหรับเรื่องนั้น “เราทดสอบฟาจที่แตกต่างกัน 24 ตัว ครอบคลุม XNUMX ตระกูลฟาจ” . กล่าว อเล็กซ์ เกานักชีวเคมีจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและหัวหน้าผู้เขียนรายงาน “และพบว่ามีการเปิดใช้งานแบบทั่วๆ ไปเกือบ” ของ Avs.
โปรตีนเป้าหมายในตระกูลไวรัสต่างๆ มีลำดับกรดอะมิโนที่เกือบต่างกันโดยสิ้นเชิง แต่พวกมันทั้งหมดทำงานเหมือนกัน นั่นคือ รวบรวมสาย DNA ของไวรัสและบรรจุลงในอนุภาคไวรัสที่ก่อตัวขึ้นใหม่ ดังนั้นพวกเขาทั้งหมดยังคงมีรูปร่างการทำงานที่เหมือนกัน
โปรตีน Avs ใช้ประโยชน์จากความคล้ายคลึงของโมเลกุลนี้ ทีมงานตระหนัก โปรตีนนั้น "รู้จักการพับและรูปร่างสามมิติมากกว่าลำดับ" Gao อธิบาย โปรตีน Avs "โดยทั่วไปจะพันเหมือนถุงมือ" การรับรู้โครงสร้าง 3 มิติประเภทนี้ "ไม่มีแบบอย่างมากมายเท่าที่เราทราบในด้านชีววิทยาระดับโมเลกุล" เขากล่าวเสริม
วิธีเดียวสำหรับโปรตีนจากไวรัสเหล่านี้เพื่อหลีกเลี่ยงการตรวจจับ Avs คือการกลายพันธุ์เป็นรูปร่างที่ไม่รู้จัก แต่ “การเปลี่ยนรูปร่างโดยไม่ทำให้โปรตีนไม่เสถียรหรือทำให้การทำงานของโปรตีนในฟาจบกพร่องนั้นไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย” Koonin กล่าว
ทักษะการจดจำที่หลากหลายและครอบคลุมของโปรตีน Avs ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การตรวจหาไวรัสที่ติดเชื้อแบคทีเรีย Koonin เล่าว่าถาม Gao เป็นเรื่องตลกว่าโปรตีน Avs สามารถตรวจจับไวรัสเริมของสัตว์ได้หรือไม่ ซึ่งเป็นญาติห่างๆ ของฟาจที่ทดสอบในหนังสือพิมพ์ เกาตอบว่า “'ใช่ เราเคยทำมาแล้ว! พวกเขาทำ." โปรตีน Avs รู้จักโปรตีนที่บรรจุ DNA ในไวรัสเริมของมนุษย์ แม้ว่าการรับรู้จะอ่อนแอกว่าฟาจของแบคทีเรียก็ตาม
“นี่เป็นครั้งแรกที่ฉันรู้ว่าองค์ประกอบที่ตรวจจับผู้บุกรุกสามารถระบุไวรัสที่แพร่เชื้อไปยังสิ่งมีชีวิตที่อยู่ห่างไกลได้” กล่าว โรเทม ซอร์คนักพันธุศาสตร์จุลินทรีย์จากสถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้
เมื่อโปรตีน Avs ตรวจพบโปรตีนจากไวรัส พวกมันสามารถโจมตีไวรัสได้หลายวิธี อย่างน้อยก็บางส่วนจบลงด้วยการทำลายตัวเองของแบคทีเรีย การฆ่าตัวตายในเซลล์อาจดูเหมือนเป็นการป้องกันโดยสัญชาตญาณ แต่แบคทีเรียมักอาศัยอยู่ในอาณานิคมที่มีความคล้ายคลึงกันทางพันธุกรรมที่รุนแรง โดยการทำลายตัวเอง เซลล์ที่ติดเชื้อสามารถปกป้องเพื่อนบ้านที่เป็นฝาแฝดของพวกเขา ซึ่ง "สมเหตุสมผลดี" เป็นกลยุทธ์วิวัฒนาการ Koonin กล่าว
นอกจากนี้ เมื่อถึงเวลาที่โปรตีนของไวรัสจะปรากฏต่อการป้องกัน Avs ในแบคทีเรีย ไวรัสได้รวบรวมสำเนาของตัวเองไว้แล้วและจะระเบิดออกจากเซลล์ที่ติดเชื้อในไม่ช้า เมื่อถึงจุดนั้น Sorek กล่าว "ยังไงก็ตาม phage ไม่มีทางรอดพ้นความตายไปได้"
ครูจิ๋ว
ในการศึกษาเกี่ยวกับการป้องกันภูมิคุ้มกันอื่นๆ ในแบคทีเรียและอาร์เคีย นักวิจัยได้ค้นพบความคล้ายคลึงที่น่าทึ่งกับเซลล์ยูคาริโอตที่ซับซ้อนกว่าของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ พันธุกรรมบางส่วนเหล่านี้ ความคล้ายคลึงกันในรูปแบบและหน้าที่ ใกล้พอที่จะบ่งบอกว่าเรายูคาริโอตสืบทอดการป้องกันบางส่วนของเราจากบรรพบุรุษของโปรคาริโอตโดยตรง
ไม่ว่าเราจะสืบทอดอะไรจากโปรตีน Avs หรือไม่ก็ตาม ในขณะที่เซ็นเซอร์ภูมิคุ้มกันโดยธรรมชาติของมนุษย์จำนวนเล็กน้อยสามารถรับรู้โปรตีนของเชื้อโรคที่จำเพาะได้ แต่ยังไม่มีใครพบสิ่งใดที่เหมือนกับการรู้จำรูปร่างโปรตีนในที่ทำงานในเซ็นเซอร์ภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดของเรา โปรตีน Avs มีความคล้ายคลึงกันของโครงสร้างที่น่าสนใจบางอย่างกับโมเลกุลป้องกันยูคาริโอต แต่ความคล้ายคลึงกันอาจเป็นผลจากวิวัฒนาการมาบรรจบกันและพลังของการจดจำรูปแบบเป็นกลยุทธ์ในการป้องกัน “เป็นไปได้ที่ธรรมชาติจะชอบสร้าง [เซ็นเซอร์ภูมิคุ้มกัน] เหล่านี้จริงๆ เพราะมันทำงานได้ดีจริงๆ” Gao กล่าว
เมื่อพิจารณาว่าการจดจำรูปร่างโปรตีนทำงานได้ดีเพียงใดสำหรับแบคทีเรียและอาร์เคีย เราอาจคาดหวังว่าบางสิ่งเช่นโปรตีน Avs จะปรากฏในยูคาริโอตในที่สุด Kagan คิดว่าถ้าไม่มีอะไรอื่น การค้นพบนี้อาจจุดประกายความสนใจในการศึกษาโปรตีนในฐานะเป้าหมายของการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันโดยธรรมชาติ
แบคทีเรีย “ไม่ได้หยุดสอนเรา” Kagan กล่าว “พวกเขาสอนเราเกี่ยวกับการจำลองดีเอ็นเอ พวกเขาสอนเราเกี่ยวกับการซ่อมแซม DNA พวกเขาสอนเราเกี่ยวกับการแบ่งเซลล์ และตอนนี้พวกเขาสามารถสอนเราเกี่ยวกับภูมิคุ้มกันได้”
