چگونه ویروس‌های شنود کننده برای آلوده کردن ما مبارزه می‌کنند

» دانشمندان به سرپرستی بانی باسلر از  دانشگاه پرینستون کشف کرده‌اند که ویروس‌ های مختلف می‌توانند سیگنال‌های شیمیایی ساطع شده از باکتری‌ها را حس کنند و از این اطلاعات برای تصمیم‌گیری برای تغییر وضعیت از حالت خفته به حالت تهاجمی استفاده می‌کنند. آن‌ها نه تنها کاربرد گسترده این مکانیسم را تأیید کرده‌اند، بلکه ابزارهایی را نیز شناسایی کرده‌اند که آن را کنترل می‌کنند و از طریق تصویربرداری پیچیده، رفتارهای سلول‌های آلوده به ویروس حاصل را مشاهده کرده‌اند.

جاسوس‌های ماهر

  ویروس‌ ها، مانند شخصیت‌های بد فیلم ، به یکی از دو روش عمل می‌کنند، سرد کردن یا کشتن. آن‌ها ممکن است تصمیم بگیرند که وقت خود را بگذرانند، بی سر و صدا سیستم‌های دفاعی بدن را نقض کنند، یا حمله ای تمام عیار انجام دهند، از مخفیگاه منفجر شوند و به همه جهات شلیک کنند. حملات ویروسی تقریباً همیشه مأموریت‌های انتحاری هستند و سلولی را که ویروس به آن وابسته بوده است از هم می‌پاشد. این حمله تنها در صورتی می‌تواند موفقیت آمیز باشد که سلول‌های سالم دیگر به اندازه کافی برای عفونت وجود داشته باشند. اگر رگبار ذرات ویروسی به چیزی نخورد، ویروس نمی‌تواند خود را حفظ کند. از آنجایی که ویروس‌ ها از نظر فنی زنده نیستند، نمی‌میرند، اما دیگر کار نمی‌کند. بنابراین برای یک ویروس، چالش کلیدی تصمیم گیری در مورد زمان تبدیل از حالت سرد به حالت کشتن است. چهار سال پیش، بانی باسلر، زیست شناس پرینستون و جاستین سیلپ، دانشجوی فارغ التحصیل آن زمان متوجه شدند که یک ویروس یک مزیت کلیدی دارد، می‌تواند ارتباط بین باکتری‌ها را شنود کند. به طور خاص، به این فرآیند که  "ما حد نصاب داریم!" گوش می‌دهد. ماده شیمیایی که سلول‌های باکتریایی وقتی به یک عدد بحرانی برای اهداف خود رسیدند آزاد می‌کنند. (کشف اولیه این فرآیند ارتباط باکتریایی، به نام سنجش حد نصاب، منجر به یک رشته جوایز برای باسلر و همکارانش شده است.)

حد نصاب احساس

 حد نصاب احساس یک فرآیند ارتباط سلول به سلول میکروبی است. سلول‌های میکروبی مولکول های پیام رسان خارج سلولی به نام خود القاگرها را تولید و رها می‌سازند. باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت به ترتیب هموسرین لاکتون‌ها و الیگوپپتیدها را به عنوان خود القاگر برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند. تنظیم بیان ژن در پاسخ به میزان تغییرات خود القاگر صورت می‌گیرد که به تراکم جمعیت سلولی وابسته است. سلول‌های میکروبی برای تنظیم فعالیت‌های فیزیولوژیکی بسیار متنوع از جمله قدرت بیماریزایی، رنگزایی، زیست تابی، اسپورزایی، حرکت، تولید متابولیت‌های ثانویه و آنتی بیوتیک‌ها, تشکیل بیوفیلم و غیره از حد نصاب احساس استفاده می‌کنند. اکنون باسلر، سیلپ و همکاران پژوهشی آن‌ها دریافته‌اند که ده‌ها ویروس به سنجش حد نصاب یا سایر سیگنال‌های شیمیایی از باکتری‌ها پاسخ می‌دهند. کار آن‌ها اخیراً در مجله Nature منتشر شده است.پروفسور باسلر، استاد دانشگاه پرینستون در زیست شناسی مولکولی و رئیس بخش زیست شناسی مولکولی پریستون گفت: " جهان مملو از ویروس‌هایی است که می‌توانند اطلاعات میزبان مناسب را زیر نظر بگیرند. ما نمی‌دانیم همه محرک‌ها چیست، اما در این مقاله نشان دادیم که این یک مکانیسم مشترک است."  آن‌ها نه تنها فراوانی این استراتژی را نشان دادند، بلکه ابزارهایی را نیز کشف کردند که آن را کنترل می‌کنند و سیگنال‌هایی را ارسال می‌کنند که به ویروس‌ها می‌گویند از حالت سرد به حالت کشتن برگردند.

پلی لیزوژنی

نوعی ویروس که به سلول‌های باکتریایی حمله می‌کنند، معروف به باکتریوفاژها، یا به اختصار فاژها، روی سطح سلول باکتری فرود می‌آیند و ژن‌های خود را به سلول می‌رسانند. بیش از یک نوع فاژ می‌تواند یک باکتری را به طور همزمان آلوده کند، البته تا زمانی که همه آن‌ها در حالت سرد هستند، که زیست شناسان آن را لیزوژنی می‌نامند. هنگامی‌که چندین فاژ در یک باکتری منفرد سرد می‌شوند، پلی لیزوژنی نامیده می‌شود. در پلی لیزوژنی، فاژها می‌توانند همزیستی داشته باشند و به باکتری اجازه می‌دهند مانند سلول‌های سالم بارها و بارها خودش را کپی کند، DNA یا RNA ویروسی که در داخل باکتری پنهان شده و درست همراه با باکتری‌ها تکثیر می‌شود. اما فاژهای نفوذی دقیقاً صلح آمیز نیستند. بیشتر شبیه به نابودی دو جانبه هستند و آرامش ضعیف فقط تا زمانی ادامه می‌یابد که چیزی یک یا چند فاژ را تحریک کند تا به حالت کشتن بروند. دانشمندانی که در مورد جنگ فاژها مطالعه می‌کنند، مدت‌هاست می‌دانند که یک اختلال عمده در سیستم، مانند اشعه ماوراء بنفش با دوز بالا، مواد شیمیایی سرطان‌زا یا حتی برخی داروهای شیمی‌درمانی، می‌تواند همه فاژهای ساکن را به حالت کشتن سوق دهد. دانشمندان تصور می‌کردند در آن مرحله، فاژها شروع به دویدن برای منابع باکتری می‌کنند، و هر فاژی که سریعتر باشد، برنده خواهد شد و ذرات ویروسی خودش را بیرون خواهد زد. اما این چیزی نیست که تیم باسلر پیدا کرد.

بدون برنده

گریس جانسون، همکار تحقیقاتی فوق دکتری در گروه تحقیقاتی باسلر، از تصویربرداری با وضوح بالا برای تماشای سلول‌های باکتریایی که با دو فاژ آلوده شده بودند، استفاده کرد، زیرا او آن‌ها را با یکی از این سیگنال‌های کشتن جهانی پر می‌کرد. هر دو فاژ وارد عمل شدند و سلول میزبان را خرد کردند. جانسون برای دیدن نتیجه، ژن‌های هر فاژ را با برچسب‌های فلورسنت خاصی رنگ آمیزی کرد که بسته به اینکه کدام فاژ در حال تکثیر است، به رنگ‌های مختلفی روشن می‌شوند. وقتی آن‌ها روشن شدند، از دیدن اینکه برنده مشخصی وجود ندارد، شوکه شد. حتی تساوی بین این دو نبود. در عوض، او دید که برخی از باکتری‌ها با یک رنگ می‌درخشند، برخی دیگر با رنگ دوم، و برخی دیگر ترکیبی هستند و به طور همزمان هر دو فاژ را تولید می‌کنند. جانسون گفت: " هیچ کس تصور نمی‌کرد که سه زیرجمعیت وجود داشته باشد. آن روز واقعاً هیجان انگیز بود. من می‌توانستم سلول‌های مختلف را ببینم که تمام ترکیب‌های ممکن تولید فاژ را انجام می‌دهند، یکی از فاژها را القا می‌کنند، دیگری را القا می‌کنند و هر دو را القا می‌کنند. و برخی از سلول‌ها هیچ یک از فاژها را القا نمی‌کردند." چالش دیگر یافتن راهی برای تحریک تنها یکی از دو فاژ در یک زمان بود. سیلپ که پس از انجام مطالعات فوق دکتری در هاروارد به عنوان یک همکار تحقیقاتی فوق دکترا به آزمایشگاه باسلر بازگشته بود، در یافتن محرک‌ها پیشتاز بود. در حالی که تیم هنوز نمی‌داند این فاژها در طبیعت به چه سیگنال‌هایی پاسخ می‌دهند، سیلپ یک محرک شیمیایی مصنوعی خاص برای هر فاژ طراحی کرده است. گریس بگز، یکی دیگر از همکاران فوق دکتری در گروه باسلر، در تجزیه و تحلیل مولکولی سیستم‌های مصنوعی نقش اساسی داشت.  هنگامی‌که سیلپ سلول‌های پلی لیزوژنیک را در معرض نشانه خود قرار داد، تنها فاژی که به محرک مصنوعی او پاسخ می داد، تکثیر شد و در همه سلول‌ها، فاژ دیگر به طور کامل در حالت سرد باقی ماند. او گفت: " فکر نمی‌کردم کار کند. من انتظار داشتم که چون استراتژی من از فرآیند معتبر موجود در طبیعت تقلید نمی‌کند، هر دو فاژ تکرار شوند. این تعجب آور بود که ما فقط یک فاژ را دیدیم. هیچ کس قبلاً این کار را نکرده بود، که من آن را پیاده سازی کردم."

یافته‌ایی جدید

باسلر گفت: " "من فکر نمی‌کنم کسی حتی فکر کرده باشد که یک سوال در مورد چگونگی جنگ فاژ- فاژ در یک سلول بپرسد زیرا هیچ کس فکر نمی‌کرد که می‌تواند وجود داشته باشد، تا زمانی که گریس جی و جاستین آزمایش خود را انجام دادند. باکتری ها واقعا کوچک هستند. تصویربرداری حتی از باکتری‌های منفرد دشوار است، و تصویربرداری از ژن‌های فاژ درون باکتری‌ها واقعاً سخت است. منظور ما کوچکتر از کوچکتر است." جانسون پلتفرم تصویربرداری، هیبریداسیون فلورسانس در محل، که معمولا FISH نامیده می‌شود را برای یک پروژه دیگر سنجش حد نصاب شامل بیوفیلم‌ها تطبیق داده بود، اما وقتی شنید که سیلپ تحقیقات خود را در یک جلسه گروهی به اشتراک می‌گذارد، متوجه شد که FISH می‌تواند نشان دهد که تا آن لحظه چه رازهای غیرقابل انکاری در مورد فاژهای استراق سمع او وجود دارد.  باسلر گفت:"  اکثر باکتری‌های جهان بیش از یک فاژ دارند که در داخل خود سرد می‌شوند، اما هیچ‌کس نتوانسته است آن‌ها را مانند این دو دستکاری و تصویرسازی کند. استراتژی زیرکانه‌ایی که در آن آن‌ها می‌توانستند یک فاژ، فاژ دیگر، یا هر دو فاژ را بر حسب تقاضا القا کنند، این کار بزرگ جاستین بود. سپس آن‌ها قادر به دیدن واقعی آن در یک سلول واحد بودند این نیز هرگز انجام نشده است. این کار گریس جی بود. ما می‌توانیم جنگ فاژ را در سطح تک سلولی ببینیم. تقریباً تمام ژن‌های روی ژنوم‌های ویروسی مرموز باقی مانده‌اند. ما به سادگی نمی‌دانیم که بیشتر ژن‌های ویروسی چه می‌کنند. بله، در اینجا، ما عملکرد چند ژن فاژ را کشف کردیم و نشان دادیم که وظیفه آن‌ها فعال کردن این سوئیچ کاملاً غیرمنتظره از بین بردن سرد بودن است و این سوئیچ تعیین می‌کند که کدام فاژ در طول جنگ فاژ-فاژ برنده شود. این کشف نشان می‌دهد که فرآیندهای بالقوه هیجان انگیزتری برای یافتن باقی مانده است. فاژها دوره زیست شناسی مولکولی را 70 سال پیش آغاز کردند و هم به عنوان درمان و هم به عنوان این مخزن باورنکردنی از ترفندهای مولکولی که در طول زمان تکامل به کار گرفته شده اند دوباره به کار می‌آیند. این یک گنجینه است و تقریباً کاملاً ناشناخته است."