В Сколтехе узнали, как бактерии собирают «разведданные» о бактериофаге
Ученые Сколтеха из лаборатории профессора Северинова исследовали малоизученный тип системы CRISPR-Cas у бактерий, обитающих в условиях чрезвычайно высоких температур. В ходе исследования было установлено, как система CRISPR-Cas распознает угрозу, собирая фрагменты генетической информации бактериофага в своей генетической «базе данных», которую она использует для борьбы с инфекциями. Понимание этого механизма открывает перспективы для дальнейших генетических манипуляций как с бактериями, так и с их вирусами-фагами.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. CRISPR-Cas – это класс мощных защитных систем, которые большинство прокариот используют для распознавания и уничтожения чужеродного генетического материала, например, бактериофагов. Каждая из таких систем представляет собой набор белков Cas, которые расщепляют нуклеиновые кислоты и используют фрагменты чужеродных последовательностей из массивов данных CRISPR, хранящихся в хромосоме клетки.
Белки Cas действуют подобно наряду полиции, получившему ориентировку на преступника: они образуют комплексы с короткими CRISPR РНК, содержащими информацию о генетическом «захватчике», ищут комплементарные CRISPR РНК нуклеиновые кислоты, а затем распознают и уничтожают их.
В зависимости от типа белков Cas, системы CRISPR-Cas подразделяют на шесть типов. Наименее изученным и наиболее сложным типом белков Cas является III тип. «Системы III типа существенно отличаются от всех остальных. Во-первых, в отличие от систем других типов, они распознают не ДНК, а чужеродную РНК. Во-вторых, как это ни странно, распознав РНК-мишень, системы этого типа, тем не менее, уничтожают ДНК, с которой данная РНК была транскрибирована», − рассказывает первый автор статьи Константин Северинов.
Он и его коллеги исследовали систему CRISPR-Cas III типа у гипертермофильной бактерии Thermus thermophilus, обитающей в горячих источниках по всему миру. Ученых интересовало, каким образом бактерия получает спейсеры, то есть «записи» для своей «базы данных» CRISPR. Спейсеры — это фрагменты чужеродной ДНК, встроившиеся в ДНК бактерии и выполняющие роль «печатных форм» для CRISPR РНК, используемых в дальнейшем для распознавания новых инфекций.
«Thermus − термофильная бактерия, она существует при температуре 65 градусов и выше, поэтому ее удобно использовать в качестве модели для биохимического и особенно структурного анализа, так как ее белки очень устойчивы. Однако, есть и отрицательный момент: бактерию Thermus, как правило, рассматривают не как микроб, а, скорее, просто как источник стабильных белков для прикладных и фундаментальных исследований, − отмечает Северинов.
— Наименее понятным в иммунитете CRISPR является механизм появления новых спейсеров, который во многих отношениях работает скорее по ламарковскому, чем по дарвиновскому принципу. В случае систем CRISPR III типа ситуация оказывается еще сложнее, поскольку к узнаванию чужеродной РНК способны только те спейсеры, которые при встраивании в ДНК клетки были ориентированы определенным образом. Для других типов систем CRISPR-Cas такого требования нет. Нам хотелось понять, как системе III типа удается успешно приобретать спейсеры, способные обеспечить эффективную защиту хозяйской клетки».
Исследователи вырастили клетки T. thermophilus в лабораторных условиях и инфицировали их бактериофагом, выделенным ранее из горячего источника на Камчатке, а затем наблюдали за появлением новых спейсеров типа III в инфицированных бактериях. Ученые показали, что все новые спейсеры были получены из крошечной области генома бактериофага, который первым попадает в инфицированную клетку бактерии.
Вероятно, инфицированной клетке удается избавиться от инфекции и выжить благодаря тому, что она распознает угрозу уже на ранней стадии, а не потому, что система CRISPR III типа обладает особым внутренним механизмом, который выбирает спейсеры неслучайным образом. В результате, 50 процентов приобретенных спейсеров имеют неправильную ориентацию, а значит, не могут обеспечить защиту клетки. Исследователи предполагают, что та область фагового генома, из которого поступают спейсеры, может кодировать белки анти-CRISPR, поэтому для клетки жизненно важно, чтобы защита сработала до того, как она будет нейтрализована.
Ученые также показали, что некоторым фагам удалось уцелеть под воздействием защиты CRISPR-Cas III типа, но ради этого им пришлось пожертвовать мелкими фрагментами ДНК из целевых областей генома. «Тот факт, что мы можем выявлять выжившие фаги, которые удаляют области, распознаваемые защитными CRISPR РНК, означает, что мы можем легко создавать мутанты фагов, направляя на них специально сконструированные CRISPR РНК, распознающие интересующие нас области генома, − объясняет Константин Северинов.
— Если учесть, что нам очень мало известно о вирусах, инфицирующих термофильные бактерии, наши результаты открывают возможности для исследования этих вирусов с помощью сконструированных CRISPR РНК и определения функций отдельных генов вирусов». Исследование было поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ). В работе принимали участие специалисты Института молекулярной генетики РАН, Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете (США) и Государственного университета Нью-Джерси (США).
Telegram 
Дзен 
VK Физтехи разработали стохастический вариант метода Франк—Вульфа для моделирования равновесного распределения транспортных потоков. Особенность нового подхода — использование случайных фрагментов из большого массива данных — ускоряет вычисления, при этом в экспериментах метод показывает качество решения, сопоставимое с классическими алгоритмами.
Исследователи впервые подробно описали молекулярный «якорь», с помощью которого малярийный паразит проникает в клетки крови, и создали белок, блокирующий заражение. Оказалось, структура паразита сложнее и он активно перестраивает мембрану хозяина, чтобы проникнуть внутрь.
Наша планета имеет шансы уцелеть во время превращения Солнца в красного гиганта и избежать полного уничтожения в термоядерном пекле. Финальная судьба Земли определится хрупким балансом между гравитационным притяжением раздувающегося светила и потерей им своей массы, из-за которой хватка звезды ослабнет и позволит планете отодвинуться на более безопасную орбиту.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно