kokia laki tavo vaizduotė
jie bijo, kad ji gali išplisti
kaip virusas
Vainius Bakas. „Belaukiant“

 

Mieste siaučiant gripui, nesunku suvokti, kokie pavojingi gali būti virusai. Ir visi mes bent šį tą žinome apie virusus – tai kažkas dažniausiai kenkėjiško, greitai pasidauginančio, paplintančio; ir nesvarbu, ar kalbame apie kompiuterinį, Roto ar naujausio nuotaikingo kačiuko video virusą. Gyvus organizmus atakuojantys virusai iš esmės turi vieną tikslą – pasinaudoti auka siekiant pasidauginti. Tam virusai į užpultą ląstelę suleidžia savo genetinę medžiagą, kuri yra ląstelei skirtos instrukcijos, kaip susintetinti naujus virusus. Virusų genominės nukleorūgštys (DNR ar RNR) yra vidutiniškai apie 100 kartų mažesnės už bakterijų ir žmonių, kadangi virusai nekoduoja visų gyvybei būtinų baltymų ar kitų elementų, o naudoja užgrobtos ląstelės infrastruktūrą. Svarbiausi genai virusų genomuose nusako, kaip ląstelei padaryti viruso kapsidę (savotiškus baltyminius šarvus, po kuriais slepiamas virusų genomas) ir kitus viruso baltymus, svarbius ląstelę infekuoti ir priversti vykdyti viruso planą. Dažniausiai po virusui sėkmingo antpuolio ląstelė žūsta į aplinką išleisdama daugybę viruso kopijų – palikuonių. Tad nenuostabu, kad virusų gamtoje yra daugiau nei gyvų ląstelių.

Laimei, mūsų organizmą sudaro dešimtys trilijonų ląstelių, pasiskirsčiusių funkcijomis. Ląstelei žuvus nelygioje kovoje su virusais, į jos vietą atskuba prikviestos specializuotos imuninės ląstelės, tikros profesionalės kovojant su patogenais. Tačiau kai gamykloje, jogurto katile, pradeda žūti pieną rauginančios gerosios bakterijos, nes jas užpuolė bakterijų virusai, mažai kuo joms galime padėti. Bakterija yra sudaryta iš viso labo vienos ląstelės, todėl turi būti visų galų meistrė. Jai kiekvienas susidūrimas su virusu virsta lemtingu „būti ar nebūti“, tad ji privalo turėti tinkamus antivirusinius ginklus ir nuolat juos naudoti, kad išgyventų. Čia bakterijos vaizduotė tik­rai laki, neabejotinai lenkianti Džeimso Bondo prietaisėlių inžinieriaus. Šių ginklų brėžinius bakterijos paprastai laiko pedantiškai tvarkingai surikiuotus tam tikrose savo genomo vietose, vadinamosiose gynybos salose. Ir turtų ten daugiau nei lobių saloje ar Saliamono kasyklose. Tad pažvelkime, kokių gėrybių bakterijos ten turi.

Karo menas 3 mln. metų iki Sundzi

Manoma, kad bakterijos Žemėje atsirado maždaug prieš 3–4 mln. metų. Kada atsirado virusai, – tokie, kokius mes pažįstame, – sunku pasakyti, bet jie kilo iš tų pačių protėvinių ląstelių, kaip ir bakterijos. Bet kokiu atveju, ilgas bakterijų ir virusų karas leido tiek nusistovėti standartinėms taktikoms, tiek abiem pusėms išrasti papildomų gudrybių. Kaip ir visuose karuose, bakterijų ir virusų kova vyksta kiekviename žingsnyje. Pirmiausia bakterija savotiškomis paviršiaus baltymų „plastinėmis operacijomis“ bando pasislėpti nuo viruso, kad šis jos neatpažintų. Mat virusai, neturėdami akių ar kitų mums įprastų juslės organų, auką aptinka pagal paviršiaus baltymus ar kitas molekules – jei viruso ir bakterijos molekulės tinka kaip raktas į spyną, virusas prisikabina ir stengiasi pro bakterijos sienelę sušvirkšti savo genomą. Jei bakterija pakeičia viruso atpažįstamą molekulę-spyną, virusas nebegali jos infekuoti. Tačiau tik iki tol, kol virusas nepritaikys savo molekulės-rakto. Kiekviename bakterijų ir virusų fronte visuomet yra kažkas nauja, nes abi pusės palengva kinta, evoliucionuoja, siekdamos išlikti ir priešininką pergudrauti.

Bakterijos buvo auginamos vientisu balsvu sluoksniu ant lėkštelių su maistine terpe, ant jų užlašinti lašai su skirtingu virusų kiekiu (didėjančiu į dešinę). Neatsparios bakterijos (viršutinė nuotrauka) yra sunaikinamos virusų, todėl atsiranda „pragraužtos“ tamsios dėmės bakterijų sluoksnyje. O tinkamą ginklą turinčios bakterijos (apatinė nuotrauka) gali susidoroti su virusu ir išgyventi. Tik esant itin dideliam virusų pertekliui ir „ginkluotos“ bakterijos pradeda žūti (apačioje dešinėje). Nuotrauka iš asmeninio archyvo
Bakterijos buvo auginamos vientisu balsvu sluoksniu ant lėkštelių su maistine terpe, ant jų užlašinti lašai su skirtingu virusų kiekiu (didėjančiu į dešinę). Neatsparios bakterijos (viršutinė nuotrauka) yra sunaikinamos virusų, todėl atsiranda „pragraužtos“ tamsios dėmės bakterijų sluoksnyje. O tinkamą ginklą turinčios bakterijos (apatinė nuotrauka) gali susidoroti su virusu ir išgyventi. Tik esant itin dideliam virusų pertekliui ir „ginkluotos“ bakterijos pradeda žūti (apačioje dešinėje). Nuotrauka iš asmeninio archyvo

Jei virusui vis dėlto pavyksta bakteriją rasti ir į ją suleisti savo genetinę medžiagą, bakterija savyje turi paruošusi daugybę molekulinių žirklių, kurios svetimą nukleorūgštį sukarpytų ir taip sunaikintų. Šios žirklės yra gana sudėtingos konstrukcijos, nes turi aiškiai skirti viruso nukleorūgštis nuo savų, kitaip rizikuoja sunaikinti pačią bakteriją. Jei ir šis planas neišdega, bakterijoms belieka pasidaryti molekulinį charakiri ir garbingai žūti kartu su virusu. Tam jos pasitelkia vadinamąsias abortyviosios infekcijos arba toksinų-antitoksinų sistemas. Lietuvoje pastarąsias nagrinėja prof. Editos Sužiedelienės vadovaujama grupė. Šias sistemas galima įsivaizduoti kaip Nevilio Shute’o „Paplūdimyje“ herojų turėtas cianido kapsules. Kapsulėje slypi nuodų dozė, o bakterijos gamina toksiną prieš pačias save. Tačiau kapsulė, kol neprakąsta, yra nepavojinga, o bakterijų toksinus neutralizuoja jų gaminami antitoksinai. Ir tik galutinai praradę viltį herojai prakanda kapsules, o bakterijoms sukeltas virusinės infekcijos stresas išbalansuoja toksinų ir antitoksinų santykį.

Bakterijų tankai tampa mūsų peiliais

Kiekvienam kovos planui bakterijos turi po kelis, jei ne keliolika skirtingų ginklų, o ir tie ginklai yra įvairių modelių, tad bakterijų antivirusinis arsenalas pasižymi tikrai didele įvairove. Vieni šių baltymų-ginklų yra akivaizdžiai lengvai pritaikomi mūsų reikmėms, kitiems pritaikyti reikia didesnio išradingumo, o treti veikiausiai niekad netaps mūsų naudojamais įrankiais. Bet kokiu atveju, nagrinėjant bakterijų arsenalus, galima pagerinti mums reikalingų bakterijų atsparumą virusams, kad neišmirtų bakterijos, naudojamos sūriams fermentuoti, įvairiems vaistams gaminti ar kitoms reikmėms. Arba priešingai – padidinti mums kenkiančių bakterijų jautrumą virusams. Kai kuriose šalyse jau kurį laiką bakterinės infekcijos yra gydomos bakterijas puolančių virusų mišiniais.

Per pastaruosius dešimtmečius labiausiai įgudome panaudoti virusų nukleorūgštis karpančius bakterijų baltymus. 1968 m. atrastos restrikcijos endonukleazės (REazės) sukėlė tikrą revoliuciją manipuliuojant nedidelės apimties genetine medžiaga. REazės atpažįsta itin mažą DNR vietą – vos kelių nukleotidų seką. Palyginkime: vidutinis mūsų genas, koduojantis vos vieną iš maždaug 20 tūkst. mus sudarančių skirtingų baltymų, yra apie 8 tūkst. nukleo­tidų ilgio. Pasirinkus tinkamą REazę iš kokio šimto jų kolekcijos galima vieno organizmo geną įterpti į kitą. Tai ne tik pasitarnauja mokslininkams siekiant išsiaiškinti kokio nors geno ar jo koduojamo baltymo funkciją, vaidmenį ligose, bet ir leidžia itin pigiai bakterijose gaminti, pavyzdžiui, žmogaus insuliną, reguliariai reikalingą kai kuriems diabetikams. Ir tai tik vienas iš daugybės pavyzdžių. Suprantant REazių veikimą ir jas panaudojant nemažas ir lietuvių indėlis tuometiniame Taikomosios enzimologijos institute (vėliau pervadintas į Biotechnologijos institutą, o dabar – Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro dalis). Viena šio instituto laboratorijų suformavo įmonę „Fermentas“ ir pradėjo prekiauti įvairiomis REazėmis. Bendrovei verslas sekėsi itin gerai, ji pradėjo siūlyti ir kitus molekulinius įrankius, kol galiausiai ją įsigijo „Thermo Fisher Scientific“.

Peilius keičia skalpeliai

Antrąją revoliuciją manipuliuojant DNR sukėlė kitos bakterijų antivirusinės sistemos – CRISPR-Cas. Prie šių sistemų atradimo ir tolesnių tyrimų nemažai prisideda ir prof. Virginijaus Šikšnio vadovaujama mokslininkų komanda. Kai kurių CRISPR-Cas sistemų baltymai Cas9 ir Cpf1, kaip ir REazės, atpažįsta tam tikrą DNR nukleotidų seką ir ją perkerpa. Tačiau jei REazių reikia dešimčių kolekcijų, kad galėtum surasti kerpančiąją norimoje vietoje, su CRISPR-Cas baltymais viskas yra daug paprasčiau. Šie baltymai patys DNR neatpažįsta, tačiau juos prie taikinio priveda speciali RNR molekulė – gidas, crRNR. Mokslininkams vis dar sunku pakeisti baltymus, kad šie veiktų taip, kaip norime, tačiau pagaminti norimą RNR – jokių problemų. Todėl Cas9 ir Cpf1 galime nutaikyti kur tik norime – jei REazę gauname tik kartu su kirpimo vietos adresu, tai šiems baltymams galime nesunkiai patys nurodyti tikslias pageidaujamas koordinates. Be to, jų atpažįstama seka yra ilgesnė nei REazių – dvidešimt keli nukleotidai. Vadinasi, tikimybė rasti antrą tokią seką gene sumažėja milijonus kartų. Tai labai svarbu norint iškirpti visą geną, neperkerpant jo paties per pusę, arba įkirpti tik vienoje žmogaus genomo vietoje, kurioje yra ligą sukelianti mutacija, nepažeidžiant sveikų genų. Dėl šių savybių Cas9 ir Cpf1 yra ruošiami genų terapijai, siekiant gydyti genetines ligas. Šie baltymai daktarui Frankenšteinui konstruoti monstrų nepadės, bet galbūt leis sukurti žmogaus organų donorystei tinkamus paršelius ir galės pagydyti sergančiuosius, pavyzdžiui, cistine fibroze ar Hantingtono liga. Jei išvystytą šią technologiją būtų turėję Lurlene McDaniel „Laikas mirti“ ar Lisos Genovos „Obrajenai iš vidaus“ romanų herojai, apie jų skaudžius, ligos nulemtus išgyvenimus rašytojos nebegalėtų pasakoti. Negana to, pasitelkus Cas9 greitai sukonstruotos ląstelių bibliotekos leidžia nustatyti tiek jau naudojamų vaistų taikinius, tiek iki šiol nežinomus ligų procesuose dalyvaujančius baltymus, į kuriuos būtų galima nutaikyti naujus vaistus.

Palaiminti būkite, fantazijos sparnai

Pasitelkę Leonardui da Vinci’ui prilygstančią fantaziją, mokslininkai įvairias CRISPR-Cas sistemas sugebėjo pritaikyti ir daugybei kitų veiklų. Panaikinę iš Cas9 gebėjimą kirpti mokslininkai su šiuo baltymu žaidžia savotišką lego: prie jo prijungia kitus, kitokiais gebėjimais pasižyminčius baltymus, kad juos „atšipęs“ Cas9 nuvestų prie norimos DNR vietos. Taip galima, pavyzdžiui, pakeisti vos vieną nukleotidą genome, jo neperkerpant, ir taip su mažesne rizika pataisyti vieno nukleotido mutacijos sukeltą ligą. Arba keisti epigenetinius DNR žymenis (savotiškus genetinio kodo diakritinius ženklus). Arba slopinti pasirinkto geno raišką, kad būtų prigaminama mažiau atitinkamo baltymo. Arba, priešingai, skatinti, kad būtų gaminama daugiau reikiamo baltymo. Arba ką tik sugalvosite daryti su DNR. Kitas CRISPR-Cas baltymas buvo sėkmingai pritaikytas itin jautriai nukleorūgščių detekcijai žmogaus kraujo mėginiuose, pavyzdžiui, nustatyti užsikrėtusiuosius Zikos virusu. Ir tai tik dalis atsivėrusių galimybių.

Neseniai Izraelio mokslininkai, tirdami bakterijų gynybos salas, atrado dar keletą naujų antivirusinių sistemų, kurių veikimo būdai kol kas nėra žinomi. Didžiąją dalį šių sistemų mokslininkai pavadino dievybių, kurioms priskiriama apsaugos funkcija, vardais, taip pat ir pagoniškosios Lietuvos ugnies deivės, namų židinio globėjos Gabijos. Tad veikiausiai per artimiausius dešimtmečius apie bakterijų koduojamus lobius girdėsime dar ne kartą.

Gyvybes_mokslu_centras_LM.png