Ny UMBC-ledd forskning inom Frontiers in Microbiology tyder på att virus använder information från sin omgivning för att "bestämma" när de ska sitta tätt inuti sina värdar och när de ska föröka sig och brista ut, vilket dödar värdcellen. Arbetet har implikationer för utveckling av antivirala läkemedel.

Ett viruss förmåga att känna av sin miljö, inklusive element som produceras av dess värd, lägger till "ett annat lager av komplexitet till interaktionen mellan viral och värd", säger Ivan Erill, professor i biologiska vetenskaper och seniorförfattare på den nya uppsatsen. Just nu utnyttjar virus den förmågan till sin fördel. Men i framtiden, säger han, "kan vi utnyttja det till deras nackdel."

Inte en slump

Den nya studien fokuserade på bakteriofager - virus som infekterar bakterier, ofta kallade "fager". Fagene i studien kan bara infektera sina värdar när bakteriecellerna har speciella bihang, kallade pili och flageller, som hjälper bakterierna att röra sig och para sig. Bakterierna producerar ett protein som kallas CtrA som styr när de genererar dessa bihang. Det nya dokumentet visar att många bihangsberoende fager har mönster i sitt DNA där CtrA-proteinet kan fästa, så kallade bindningsställen. En fag som har ett bindningsställe för ett protein som produceras av dess värd är ovanligt, säger Erill.

Ännu mer överraskande är att Erill och tidningens första författare Elia Mascolo, en Ph.D. student i Erills labb, fann genom detaljerad genomisk analys att dessa bindningsställen inte var unika för en enda fag, eller ens en enda grupp av fager. Många olika typer av fager hade CtrA-bindningsställen - men de krävde alla att deras värdar hade pili och/eller flageller för att infektera dem. Det kunde inte vara en slump, beslutade de.

Förmågan att övervaka CtrA-nivåer "har uppfunnits flera gånger under evolutionen av olika fager som infekterar olika bakterier," säger Erill. När avlägset besläktade arter uppvisar en liknande egenskap kallas det konvergent evolution – och det indikerar att egenskapen definitivt är användbar.

Timing är allt

Ytterligare en rynka i berättelsen:Den första fagen där forskargruppen identifierade CtrA-bindningsställen infekterar en viss grupp bakterier som kallas Caulobacterales. Caulobacterales är en särskilt väl studerad grupp av bakterier, eftersom de finns i två former:en "svärmare" form som simmar runt fritt, och en "skaftad" form som fäster på en yta. Svärmarna har pili/flagella, och det har inte stjälkarna. I dessa bakterier reglerar CtrA också cellcykeln, och avgör om en cell kommer att dela sig jämnt i två till av samma celltyp, eller dela sig asymmetriskt för att producera en svärmare och en stjälkcell.

Eftersom fagerna bara kan infektera svärmarceller, är det i deras bästa intresse att bara brista ut ur sin värd när det finns många svärmarceller tillgängliga att infektera. I allmänhet lever Caulobacterales i näringsfattiga miljöer, och de är mycket utspridda. "Men när de hittar en bra ficka med mikrohabitat blir de stjälkade celler och förökar sig", säger Erill och producerar så småningom stora mängder svärmarceller.

Så, "Vi antar att fagerna övervakar CtrA-nivåer, som går upp och ner under cellernas livscykel, för att ta reda på när svärmarcellen blir en stjälkcell och blir en fabrik av svärmare," säger Erill, "och vid den tidpunkten spränger de cellen, eftersom det kommer att finnas många svärmare i närheten att infektera."

Lyssnar in

Tyvärr är metoden för att bevisa denna hypotes arbetsintensiv och extremt svår, så det var inte en del av detta senaste dokument – ​​även om Erill och kollegor hoppas kunna ta itu med den frågan i framtiden. Forskargruppen ser dock ingen annan rimlig förklaring till spridningen av CtrA-bindningsställen på så många olika fager, som alla kräver pili/flagella för att infektera sina värdar. Ännu mer intressant, noterar de, är konsekvenserna för virus som infekterar andra organismer – även människor.

"Allt vi vet om fager, varje enskild evolutionär strategi de har utvecklat, har visat sig översättas till virus som infekterar växter och djur", säger han. "Det är nästan givet. Så om fager lyssnar på sina värdar, kommer virusen som påverkar människor att göra detsamma."

Det finns några andra dokumenterade exempel på fager som övervakar sin miljö på intressanta sätt, men inget inkluderar så många olika fager som använder samma strategi mot så många bakterievärdar.

Denna nya forskning är den "första breda demonstrationen av att fager lyssnar på vad som händer i cellen, i det här fallet när det gäller cellutveckling", säger Erill. Men fler exempel är på väg, spår han. Medlemmar av hans labb har redan börjat leta efter receptorer för andra bakteriella regulatoriska molekyler i fager, säger han – och de hittar dem.

Nya terapeutiska vägar

Nyckeln från denna forskning är att "viruset använder cellulär intelligens för att fatta beslut," säger Erill, "och om det händer i bakterier, händer det nästan säkert i växter och djur, för om det är en evolutionär strategi som är vettig, evolutionen kommer att upptäcka det och utnyttja det."

Till exempel, för att optimera sin strategi för överlevnad och replikation, kanske ett djurvirus vill veta vilken typ av vävnad det finns i, eller hur robust värdens immunsvar är mot dess infektion. Även om det kan vara oroande att tänka på all information som virus kan samla in och eventuellt använda för att göra oss sjukare, öppnar dessa upptäckter också vägar för nya terapier.

"Om du utvecklar ett antiviralt läkemedel och du vet att viruset lyssnar på en viss signal, så kanske du kan lura viruset", säger Erill. Det är dock flera steg bort. För nu, "Vi har precis börjat inse hur aktivt virus har ögon på oss - hur de övervakar vad som händer runt dem och fattar beslut baserat på det," säger Erill. "Det är fascinerande." + Utforska vidare

Vissa mikrober ligger och väntar tills deras värdar omedvetet ger dem signalen att börja föröka sig och döda dem