Virusul care invata

Daca nu ai un sistem imunitar, n-o sa durezi mult timp in aceasta lume plina de paraziti. Corpul tau primeste un flux constant de invadatori - virusi, bacterii si alti agenti patogeni - pe care trebuie sa-i recunoasca si cu care sa lupte. De multe ori, este o batalie brutala, cu scop final eradicarea. Care pe care. In alte cazuri, sistemul imunitar tine pur si simplu strainii sub control, impiedicandu-i sa se raspandeasca. Nu mai putin de o treime din toti oamenii au la nivelul creierului chisturi care contin un parazit unicelular, numit Toxoplasma. Atata timp cat parazitul ramane in chistul sau, sistemul imunitar il lasa in pace. Totusi, daca Toxoplasma iese si incepe sa se inmulteasca, sistemul imunitar se indreapta impotriva noilor celule. Iar daca oamenii isi pierd sistemul imunitar - din cauza infectiei cu HIV, de exemplu - Toxoplasma se inmulteste rapid si cauzeaza leziuni cerebrale devastatoare.

Celulele si moleculele pe care organismul nostru le foloseste pentru a recunoaste acesti invadatori sunt, fara indoiala, uimitoare. Dar adevarat si poate incredibil, este faptul ca sistemul imunitar poate invata. Cand apare un nou agent patogen, celulele noastre imune sunt supuse unui proces ce poate fi asemanat cu o versiune interioara a selectiei naturale. Pe parcursul mai multor diviziuni celulare, apar noi si noi variante, care fac o treaba din ce in ce mai buna in recunoasterea nou-venitilor. Organismul uman poate apoi sa raspunda cu un atac puternic, concentrat asupra, de exemplu, unei anumite tulpini de gripa. Si odata ce sistemul imunitar invata cum sa recunoasca acel inamic nou, poate stoca aceasta informatie, permitandu-i sa atace acelasi agent patogen ani mai tarziu.

Acesta este genul de lucruri pe care oamenii le au adesea in minte atunci cand se refera la specia umana ca o forma de viata "superioara", iar bacteriile si virusii sunt considerate forme de viata  "inferioare". Bacteriile sunt doar simple celule individuale. Nu sunt organisme multicelulare, care sa poata dedica miliarde de celule sa faca anticorpi, sa respinga toxine si sa indeplineasca multe alte sarcini cerute de la un sistem imunitar functional. Iar virusii sunt doar coji de proteine care ambaleaza cateva gene, pe care le introduc intr-o celula gazda.

Dar diferentierea superior/inferior este o modalitate simplista de a privi viata. Daca nu puteti crede ca bacteriile pot avea un sistem imunitar, atunci veti pierde indiciile ca, de fapt, au unul. Iar dovezile sunt coplesitoare.

Pana la urma, bacteriile traiesc in aceeasi lume plina de paraziti ca si noi. Desi sunt cele mai numeroase organisme de pe aceasta planeta, bacteriile sunt depasite numeric intr-o proportie de 10 la 1 de fagii (virusii) care le infecteaza. Confruntate cu evolutia rapida a particulelor-fagi, bacteriile au dezvoltat diverse mecanisme pentru a scapa de infectiile si atacurile letale ale fagilor, ceea ce a dus la o veritabila cursa a inarmarilor. Co-evolutia extinsa atat a fagului, cat si a gazdei, a produs o diversitate considerabila a strategiilor de aparare si a celor ofensive la ambele categorii.

Este posibil ca bacteriile sa nu fie infectate de aceiasi agenti patogeni care ne infecteaza pe noi, dar ele sunt in permanenta hartuite de virusi. Iar un microb care se poate apara impotriva unui virus va avea un avantaj imens in cursa evolutiva impotriva semenilor sai.

Amenintarea virusilor a determinat evolutia unor impresionante mecanisme de aparare. Bacteriile formeaza enzime care se blocheaza pe anumite secvente scurte de ADN si le descompun. Cand un virus isi injecteaza genele, aceste asa numite enzime restrictive le toaca in veritabili confetti genetici, astfel incat virusul sa nu poata prelua celula.

Sistemul nostru imunitar prezinta intotdeauna riscul de a se intoarce impotriva noastra si de a ne provoca afectiuni autoimune, precum artrita si lupusul. Avem, insa, de partea noastra o multime de agenti de paza pentru a minimiza acest risc. Asemanator, enzimele restrictive reprezinta pentru bacterie o aparare periculoasa, deoarece pot toca anumite portiuni al ADN-ului propriu bacteriei. Aceste atacuri sunt evitate prin infasurarea acelor secvente in lantul propriului ADN, astfel incat enzimele de restrictie sa nu le poata atinge.

Sistemul de aparare al enzimelor restrictive este doar o aripa a sistemului imunitar din bacterii. Unele specii pot transforma in ingrasamant productia de virusi noi, furandu-le proteinele inainte ca acestea sa poata forma cochilii. Altele se sinucid dupa ce sunt infectate, pentru a evita sa devina un incubator pentru virusii noi care, ulterior, le-ar ucide rudele din apropiere.

Dar cea mai impresionanta - daca ne e permis sa o spunem, cea mai "umana" - calitate a sistemului imunitar bacterian este capacitatea sa de a invata. Aproximativ patruzeci la suta din bacterii poarta un set de gene cunoscute sub numele de CRISPR. Cand un virus invadeaza aceste bacterii, ele capteaza fragmente din ADN-ul acestuia si le introduc in genele CRISPR. Bacteriile folosesc apoi acele fragmente capturate ca ghid pentru construirea armelor impotriva virusului.

Nu numai ca aceste mecanisme de aparare ajuta bacteriile sa reziste la infectiile cu virusi, dar fac si mai mult. Bacteriile retin ADN-ul unui virus invadator, astfel incat vor fi acum pregatite pentru un nou atac. Si, in timp, bacteriile pot creea mici biblioteci ale acestor „coduri de bare” de virus. O singura bacterie poate transporta zeci de coduri de bare virale. In 2012, oamenii de stiinta de la Indiana University au examinat bacteriile din gurile oamenilor si au descoperit 8.000 de coduri de bare virale diferite - multe dintre ele corespunzand unor virusi inca nedescoperiti.

Astfel, un singur microb poate acumula amintiri ale agentilor patogeni intalniti, intr-o maniera care aminteste de modul in care sunt construite amintirile in propriul nostru sistem imunitar. Dar, daca un om construieste un depozit sanatos de anticorpi pentru diverse tulpini de gripa, variola si alte boli, toate aceste cunostinte vor muri odata cu el. Copiii sai vor trebui sa invete aceleasi lectii din nou, de la capat. Nu e la fel pentru bacterii. Cand un microb se reproduce, transmite genele CRISPR si toate codurile de bare virale descendentilor sai - inclusiv pe cele pe care le-a dobandit in propria sa viata.

Acum, sa ne rasucim si sa analizam sistemul imunitar din punctul de vedere al agentului patogen. Daca poti dezvolta o modalitate de a evita sistemele de aparare ale sistemului imunitar al gazdei tale, vei prospera acolo unde sunt ucisi alti agenti patogeni. Aceasta presiune evolutiva a dus la tot felul de mecanisme de scapare remarcabile ale agentilor patogeni care ne imbolnavesc. Se camufleaza in proteine asemanatoare celor proprii organismului uman si ataca molecule cheie, blocandu-ne apararea.

La randul lor, virusii care infecteaza bacteriile au dezvoltat propriul set de trucuri pentru a se sustrage sistemul imunitar bacterian. Oamenii de stiinta de la Universitatea din Cambridge au descoperit virusi care poarta un antidot pentru toxina sinucigasa produsa de gazdele lor. Cand bacteriile vor sa moara, virusul le obliga sa traiasca. Iar savantii de la Universitatea Toronto chiar au descoperit gene anti-CRISPR la virusi, pe care acestia le folosesc pentru a opri productia de molecule care ucid gazda.

Apoi au aparut vesti despre cea mai bizara contra-arma, o provocare serioasa pentru fanii dihotomiei forme de viata superioare/forme de viata inferioare. Oamenii de stiinta de la Universitatea Tufts au descris, intr-un numar din 2013 al reputatei reviste Nature, descoperirea unui virus cu propriul sau sistem imunitar.

Oamenii de stiinta, condusi de Andrew Camilli, profesor de biologie moleculara si microbiologie, au dat peste virus in timp ce studiau bacteria care provoaca holera, cunoscuta sub numele de Vibrio cholerae. Oamenii de stiinta stiu de mult ca V. cholerae se infecteaza cu virusi. De fapt, exista unele dovezi care sugereaza ca acesti virusi pot pune capat focarelor de holera. Pe masura ce gazdele V. cholerae se inmultesc, virusii lor se inmultesc si mai repede, pana cand populatia bacteriilor se prabuseste. Camilli si colegii sai si-au propus sa cerceteze acesti virusi, pentru a vedea cate specii fac viata dificila pentru bacterii. Ei au revizuit un deceniu focare de holera, analizand probele de scaun congelat pe care medicii din Bangladesh le-au pastrat de la pacienti intre 2001 si 2010. In aceste probe, au gasit 15 virusi diferiti care atacau holera, dintre care 12 erau noi pentru stiinta. Paisprezece dintre cei 15 virusi au aparut si au activat pe parcursul perioadei de zece ani, provocand crize printre bacteriile-gazda inainte de a disparea.

Dar un dintre acesti virusi - denumit ICP1 - a fost ominprezent.

Kimberly Seed, o colega postdoctorala din laboratorul lui Camilli, a inceput sa secventioneze genele ICP1 pentru a cauta sursa puterii sale speciale. Ea a gasit ceva la care nici unul dintre ei nu se astepta: un set complet de gene CRISPR.

De ce ar purta un virus un set de gene pe care bacteriile le folosesc pentru a distruge virusii? Se dovedeste ca pentru a le folosi impotriva bacteriilor. Virusul ICP1 poarta coduri de bare in genele CRISPR care se potrivesc cu segmente din ADN-ul gazdei sale. In special, ele se potrivesc cu biti de ADN dintr-un set de gene din V. cholerae care interfereaza cu producerea de noi virusi. Ulterior, intr-o serie de experimente, oamenii de stiinta au demonstrat ca virusul ICP1 isi foloseste sistemul imunitar CRISPR pentru a ataca genele gazdei care ataca virusul.

Intr-un experiment deosebit de interesant, savantii au modificat genele V. cholerae, astfel incat ADN-ul lor sa nu mai corespunda cu moleculele de atac ale virusului. Bacteriile mutante au reusit sa distruga majoritatea virusilor. Insa, in timp, cativa dintre virusi au reusit cumva sa achizitioneze biti de ADN de la noile gazde si sa ii insereze in genele lor CRISPR. Virusii au recapatat capacitatea de a bloca apararea gazdelor si au putut din nou sa invadeze cu succes.

Cu alte cuvinte, virusii invatasera ceva despre inamicul lor.

Virusul ICP1 nu si-a dezvoltat singur genele CRISPR, concluzioneaza oamenii de stiinta. Le-a furat. Uneori, virutii buzunaresc genele gazda si le incorporeaza in propriul genom. Genele CRISPR din ICP1 se potrivesc cel mai mult cu cele ale bacteriilor care provoaca ciuma bubonica. Cu mult timp in urma, se pare, stramosii ICP1 au preluat un sistem imunitar din acea linie de bacterii. Ulterior, au intors acest sistem imunitar bacterian impotriva bacteriilor.

Exista o multime de motive foarte practice pentru a studia imunitatea in lumea microbiana - motive care uneori devin clare doar in urma anumitor situatii. De exemplu, descoperirea in anii 1960 a enzimelor de restrictie a facut posibila biotehnologia moderna. Cercetatorii au folosit enzimele pentru a taia si a lipi genele de la un organism la altul, creand fabrici microbiene, cum ar fi E. coli, care produce insulina umana. In 2012, savantii au raportat ca au exploatat genele CRISPR pentru a crea o modalitate mult mai puternica de a edita ADN-ul.

Descoperirea unui virus cu un sistem imunitar ar putea deschide si alte usi. Poate deveni posibila, de exemplu, utilizarea virusilor pentru combaterea infectiilor bacteriene. In 2008, Camilli si colegii sai au aratat ca virusii pot impiedica soarecii sa se imbolnaveasca de holera, probabil prin uciderea microbilor. Soarecii nu au fost raniti de virusi, deoarece acestia sunt adaptati pentru a infecta bacteriile, nu animalele. Cu un sistem imunitar adaptativ, acesti virusi ar putea fi capabili sa invete noi trucuri pentru a depasi orice aparare noua pe care o dezvolta bacteriile. Si doar pentru ca, Camilli si colegii sai au descoperit pentru prima data un virus cu un sistem imunitar in V. cholerae nu inseamna ca nu exista si multi altii similari. Unele cautari preliminare in baza de date sugereaza ca acestea exista. Oamenii de stiinta ar putea fi capabili sa utilizeze virusi echipati cu CRISPR pentru a trata si alte boli.

Aceste avantaje practice vor avea nevoie de timp, insa, pentru a iesi la iveala, daca o vor face vreodata. Deocamdata, ne putem bucura de o noua experienta si putem privi oceanele, padurile sau chiar in propriile cavitati bucale, contempland existenta unor virusi care pot invata ceva despre lumea lor.

Fiinte inferioare, serios?

Autor Carl Zimmer

Alatura-te comunitatii Facebook/Proimunitate

Iti promitem ca te vom tine la curent cu cele mai noi informatii si cu toate ofertele promotionale.