Bakterie, som orsakar infektioner, kan själva bli infekterade av virus som kallas bakteriofager. Precis som inte alla bakterier är skadliga för människor, inte alla virus är skadliga för bakterier, och vissa kan till och med gynna dem. Kan bakterier skilja bra och dåliga virus? Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid Institutet för vetenskap och teknologi Österrike (IST Österrike) studerade hur infektioner med potentiellt fördelaktiga virus utspelar sig i bakterier som bär en viss typ av antiviral immunmekanism som kallas restriktionsmodifiering (RM). De visar att interaktioner på populationsnivå mellan virus och bakterier gör att infektionen fortskrider på ett sätt som kompenserar för individuella cellers inneboende nackdelar och gör att immunbakterier kan förvärva många fler nyttiga virus på lång sikt. Detta är resultatet av en studie publicerad i Naturekologi och evolution . Studien utfördes av Maros Pleska, en doktorand och Moritz Lang en postdoc i gruppen av Celin Guet vid IST Österrike, samt samarbetspartnerna Dominik Refardt vid Zürich University of Applied Sciences och Bruce Levin vid Emory University.

Många virus replikerar helt enkelt inuti bakterier, och sådana infektioner, som vanligtvis leder till att den infekterade bakterien dör, kallas lytiska. Dock, vissa virus, kallas tempererade virus, kan ta ett skonsammare tillvägagångssätt:Under lysogena infektioner, den genetiska informationen från ett tempererat virus integreras i den genetiska informationen för den infekterade bakterien och förbättrar på så sätt den bakteriella genrepertoaren. Exempel på gener, som sprids bland bakterier av tempererade virus, inkluderar farliga gifter som shiga-toxin, koleratoxin, eller botulinumtoxin. Dock, det finns en hake för bakterierna, eftersom tempererade virus både kan döda eller integreras i sina värdar, och beslutet om hur infektionen fortskrider fattas på ett till synes slumpmässigt sätt.

Det är välkänt att många bakterier skyddar sig mot dödliga lytiska infektioner genom att bära immunitetsmekanismer, såsom restriktionsmodifieringssystem (RM) som skär viralt DNA. Vad som inte är känt är hur dessa primitiva immunsystem påverkar bakteriers förmåga att förvärva potentiellt fördelaktiga virus i lysogenisprocessen. Kan RM-system skilja mellan lytiska och lysogena infektioner, eller agerar de mer generellt? Och samtidigt som du skyddar bakterier från döden, hindrar de dem också från att förvärva nyttiga virus? Pleska, Lang och deras kollegor kombinerade experiment och teori för att undersöka denna fråga.

Som ett första steg, forskarna tittade på vad som händer med enskilda bakterier som bär RM-system när de infekteras med tempererade virus. De fann att RM-systemet alltid försökte förhindra infektion, oavsett om infektionen var på väg mot lysering eller lysogeni. Från detta, slutsatsen är att som en oavsiktlig kostnad för att förhindra att bakterier lyser, RM-system är också ett hinder för förvärv av virala gener.

Dock, ett helt annat resultat framkom när forskarna undersökte vad som händer på nivån av bakteriepopulationen. De blandade ett stort antal bakterier med ett stort antal bakteriofager, och tittade på hur många bakterier som förvärvade virala gener på lång sikt. Baserat på det tidigare resultatet, forskarna förväntade sig att virus skulle integreras mycket mindre ofta i bakterier med RM-system, jämfört med bakterier utan denna immunitetsmekanism. Dock, det motsatta hände – fler virus hade integrerats i bakterier som förväntades vara immuna.

Restriktionsmodifieringssystem erbjuder tillfälligt andrum

Vad är förklaringen till detta kontraintuitiva resultat? Forskarna fann att istället för att förhindra infektioner helt, RM-system skjuter bara upp infektionen, ger bakteriepopulationen tid att växa tills virus bryter igenom barriären och infektionen träffar helt. Även om lysis är vanligare i små bakteriepopulationer och många bakterier dödas om populationen infekteras tidigt, lysogeni blir vanligare i stora bakteriepopulationer, vilket gör bakterier som blir infekterade senare mer benägna att få viruset istället för att dödas av det. RM-system erbjuder därför ett tillfälligt andrum, skydda bakteriepopulationer endast från den farligaste fasen av infektion, utan att begränsa de potentiella fördelarna.

Är en ny okänd molekylär mekanism ansvarig för denna växling i beteende? Nej, säger första författaren Maros Pleska:"Det mest spännande fyndet är att vi faktiskt inte behövde hitta någon ny mekanism alls. Det vi observerar är allt en enkel konsekvens av populationsdynamiken i interaktioner mellan bakterier och virus."

Detta resultat är ett avvisande för dem som försöker förutsäga det långsiktiga beteendet hos populationer utifrån biologin hos enskilda molekylära komponenter, förklarar Pleska:"Den grundläggande biologin för alla element i vårt system var känd som RM-systemen och virus vi tittade på är några av de bäst förstådda molekylära systemen vi känner till. Ändå, den här studien illustrerar hur hopplösa vi är när det gäller att använda denna kunskap på molekylär nivå för att förutsäga dynamiken som uppstår efter att vi satt ihop enskilda delar. Faktiskt, våra observationer gick helt tvärtom mot vad någon kunde förvänta sig. Således, ekologiska och evolutionära interaktioner mellan även de enklaste biologiska elementen kan vara mycket komplexa och vi behöver nya sätt att se på dem, om vi någonsin vill förstå deras roll i naturen."