Liksom de flesta organismer, är bakterier förtärda av virus - och deras bästa sätt att förstöra inkräktarna är att helt enkelt hugga upp dem. Så fort den ser ett virus kan en bakterie använda en mängd immunstrategier för att skära upp sitt genom med hjälp av molekylära skärare som CRISPR-Cas, också namnet på ett populärt laboratorieverktyg.

En ny studie visar nu att bakteriers försvarsstrategier inte fungerar isolerat. Forskare vid The Rockefeller University upptäckte att en överraskande nivå av samarbete äger rum mellan CRISPR-Cas-systemet och bakteriers andra framträdande försvarsstrategi, känd som restriktionsenzymer. "Många forskare har använt ett eller båda av dessa system för sin forskning, men vi visste inte i vilken utsträckning de är kopplade till bakterier", säger Luciano Marraffini, Kayden Family Professor vid Rockefeller och en utredare vid Howard Hughes Medical Institute .

Fynden, publicerade i Molecular Cell , visar att medan restriktionsenzymer fungerar som den första försvarslinjen, förbereder de också det material som CRISPR-Cas kommer att behöva för att rikta in sig på viruset med precision. "Mekanismen påminner om vårt eget mångsidiga immunsvar", säger Marraffini. "Den inkluderar en tillfällig första försvarslinje innan den aktiverar ett andra, mer robust adaptivt svar."

Flerstegsskydd

Restriktionsenzymer kan klyva korta DNA-sekvenser, så bakterien använder dem precis så fort viruset invaderar bakteriecellen. CRISPR-Cas, ett mer sofistikerat system, kommer in senare. Medan restriktionsenzymet hackar upp viralt DNA med en gräsklippares grovhet, är CRISPR-Cas som en knivskarp sax som används av en noggrann trädgårdsmästare. Den skär den virala inkräktaren med obefläckad precision genom att snyggt rikta in den mot en molekylär guide som riktar sig mot en specifik genetisk sekvens.

Båda typerna av bakterieförsvar används vanligtvis av biologer vars dagliga sysslor involverar att manipulera DNA för olika ändamål - som att sekvensera gener, få molekyler att fluorescera eller skapa djur med modifierade genom. På 1970-talet använde forskare restriktionsenzymer för att utveckla ett nytt verktyg som heter rekombinant DNA, som gjorde det möjligt att klona och studera enskilda gener. Och för ett decennium sedan revolutionerade teknologi baserad på CRISPR-Cas biovetenskapen genom att ge forskare möjlighet att redigera genom i levande celler och organismer.

I samarbete med Staphylococcus aureus fann Pascal Maguin, en doktorand i Marraffinis labb att virushackningsstrategierna för denna bakterie fungerar bättre tillsammans än var för sig. När Staph endast skyddas av restriktionsenzymer är deras försvar kortlivade eftersom vissa av virusen så småningom kommer att börja skydda sitt DNA – och efter ett tag, visar deras studie, kommer bakterierna som växer i skålen att börja minska. Om Staph har tillgång till båda systemen återhämtar de sig dock snabbt.

Maguin och hans kollegor upptäckte hur de två systemen fungerar tillsammans – segment som tidigare klippts av restriktionsenzymer hjälper CRISPR-Cas-maskineriet att skapa den molekylära guide som behövs för att hitta virusen och sätta stopp för infektionen.

"Det är lite som vaccination," säger Marraffini. "Restriktionsenzymet skär små bitar av viruset som CRISPR sedan kommer att använda för att skapa ett adaptivt svar."

Fynden kanske inte bara hjälper oss att förstå hur Staph försvarar sig från virus; det finns en chans att de också kan göra oss bättre rustade att försvara oss från Staph – en art som är ökända för sin förmåga att bli resistenta mot antibiotika. Förra året fann Marraffinis team att bakterien använder sitt CRISPR-Cas-system inte bara för att avvärja virus, utan också för att utveckla resistens mot flera läkemedel. En bättre förståelse av systemet skulle en dag kunna tillåta forskare att manipulera det med droger för att bekämpa Staph-infektioner som inte svarar på några andra behandlingar.