ویروس‌های باستانی پنهان درون باکتری‌ها می‌توانند کلید مقابله با عفونت‌های امروزی باشند

🔹 نبرد میلیاردساله میان باکتری‌ها و ویروس‌ها

برای میلیاردها سال، باکتری‌ها در نبردی بی‌پایان با ویروس‌ها درگیر بوده‌اند و در این مسیر، طیف گسترده‌ای از استراتژی‌های بقا و دفاع ویروسی را توسعه داده‌اند. اکنون دانشمندان می‌گویند این سازوکارهای کهن میکروبی می‌توانند الهام‌بخش ابزارهای ضدویروسی نوین برای انسان باشند.

پروفسور توماس وود (Thomas Wood)، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State) و تیم پژوهشی او، سازوکار دفاعی باکتریایی قدیمی اما کارآمدی را کشف کرده‌اند که به باکتری‌ها در برابر عفونت‌های ویروسی کمک می‌کند.

یافته‌های آنان که در مجله Nucleic Acids Research منتشر شده است، نشان می‌دهد این سامانه دفاعی ژنتیکی می‌تواند در آینده مبنای طراحی روش‌های ضدویروسی قوی‌تر در پزشکی و ایمنی مواد غذایی قرار گیرد.

وود می‌گوید:

«در چند سال اخیر، کشفیات زیادی درباره سامانه‌های ضدویروسی در باکتری‌ها صورت گرفته است. با شکست تدریجی آنتی‌بیوتیک‌ها، محتمل‌ترین جایگزین آن‌ها خود ویروس‌ها هستند. اما پیش از استفاده از ویروس‌ها به عنوان جایگزین آنتی‌بیوتیک برای درمان عفونت‌های انسانی، باید درک کنیم که باکتری چگونه از خود در برابر حمله ویروس دفاع می‌کند.»

🔹 چگونه ویروس‌های خاموش به باکتری‌ها در دفاع کمک می‌کنند

به گفته وود، دانشمندان از مدت‌ها پیش می‌دانستند که ویروس‌های باستانی غیرفعال، موسوم به پروفاژهای پنهان (Cryptic Prophages)، می‌توانند مواد ژنتیکی خود را در DNA باکتری وارد کنند. این قطعات ژنتیکی باعث می‌شوند باکتری از آنزیم‌ها و پروتئین‌های تخصصی برای جلوگیری از آلودگی توسط ویروس‌های جدید (فاژها) استفاده کند.

در این پژوهش جدید، تیم پنسیلوانیا دریافت که پروتئینی به نام ریکامبیناز (Recombinase) — آنزیمی که رشته‌های DNA را برش داده و دوباره به‌هم متصل می‌کند — قادر است در پاسخ به تهدید ویروسی، DNA باکتری را تغییر دهد، اما فقط در صورتی که یک پروفاژ از قبل در ژنوم وجود داشته باشد.

این ریکومبیناز همانند مدافع واکنش سریع عمل می‌کند و هنگام تشخیص خطر فعال می‌شود.

ریکومبیناز شناسایی‌شده در این سامانه، PinQ نام دارد. زمانی که ویروسی به سلول باکتریایی نزدیک می‌شود، PinQ با وارونه‌سازی بخشی از DNA در کروموزوم، موجب ایجاد تغییر در توالی ژنتیکی می‌شود. این تغییر منجر به تولید دو پروتئین ترکیبی جدید (Chimeric Proteins) می‌گردد که از DNA پروفاژ منشأ می‌گیرند.

این دو پروتئین که در مجموع Stf نامیده می‌شوند، از اتصال ویروس به سطح باکتری و تزریق مواد ژنتیکی آن جلوگیری می‌کنند.

وود می‌گوید:

«شگفت‌انگیز است که این فرایند واقعاً منجر به تولید پروتئین‌های ترکیبی جدید از DNA وارونه می‌شود؛ در حالی که معمولاً تغییر DNA تنها باعث جهش‌های غیرفعال می‌گردد. این وارونگی‌ها و سازگاری‌ها نشان می‌دهد که با یک سامانه ضدویروسی دقیق و تکامل‌یافته طی میلیون‌ها سال مواجه‌ایم.»

🔹 پیامدها برای مقاومت آنتی‌بیوتیکی و پژوهش‌های ضدویروسی

به گفته وود، تهدید فزاینده عفونت‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک تا حدی ناشی از مصرف بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌هاست. استفاده از ویروس‌ها به عنوان جایگزین درمانی (فاژتراپی) می‌تواند گزینه‌ای ایمن‌تر باشد، زیرا ویروس‌ها به‌طور خاص فقط گونه‌های خاصی از باکتری را هدف قرار می‌دهند و سایر میکروب‌ها را آسیب نمی‌زنند.

درک این دفاع طبیعی باکتریایی می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا با بهره‌گیری از آن، درمان‌های دقیق‌تر و هدفمندتری توسعه دهند و وابستگی به آنتی‌بیوتیک‌ها را کاهش دهند.

پیش از این، حضور آنزیم‌های ریکومبیناز در نزدیکی نواحی دفاعی باکتری شناسایی شده بود، اما این پژوهش نخستین موردی است که نشان می‌دهد این آنزیم‌ها به‌طور مستقیم در دفاع ضدویروسی شرکت دارند.

وود در ادامه می‌گوید:

«پژوهشگران این آنزیم‌ها را ندیده نگرفته بودند؛ بلکه آن‌ها را تنها به عنوان نشانگر ژن‌های ویروسی تلقی می‌کردند. باکتری‌ها برای دفاع در برابر ویروس‌ها باید چندین سامانه دفاعی متفاوت داشته باشند، و این تنها یکی از آن‌هاست.»

🔹 آزمایش سامانه دفاعی باستانی

برای بررسی نحوه عملکرد این سازوکار، تیم تحقیقاتی تولید پروتئین‌های Stf را در باکتری E. coli افزایش داد و سپس ویروس‌ها را به نمونه اضافه کرد. پس از گذشت یک شب، میزان کدورت (Turbidity) نمونه اندازه‌گیری شد تا مشخص شود ویروس‌ها تا چه حد توانسته‌اند باکتری را آلوده کنند.

هرچه محلول کدرتر بود، نشان می‌داد تعداد ویروس‌های فعال کمتر است.

همچنین از مدل‌سازی رایانه‌ای برای شبیه‌سازی فرآیند جذب ویروس به سطح باکتری (Adsorption) استفاده شد و نتایج شبیه‌سازی با داده‌های آزمایشگاهی تطبیق یافت تا دقت آن تأیید شود.

وود توضیح می‌دهد:

«وقتی تولید این پروتئین را افزایش دادیم، ویروس دیگر قادر به نشستن بر سطح سلول نبود. اما پس از هشت مرحله آزمایشی، ویروس پروتئین‌های اتصال خود را تغییر داد — یعنی روش شناسایی و چسبیدن به باکتری را — و توانست از این دفاع عبور کند.»

🔹 کاربردهای گسترده در سلامت و صنایع غذایی

این پژوهش درک تیم را از عملکرد سامانه‌های ضدویروسی طبیعی در باکتری‌ها افزایش داده است؛ دانشی که می‌تواند برای بهبود کشت باکتری‌های مفید در صنایع تخمیری (مانند تولید پنیر و ماست) و نیز در مدیریت عفونت‌های باکتریایی در حوزه سلامت مفید باشد.

وود می‌گوید:

«این داستانی است درباره اینکه چگونه یک “فسیل ژنتیکی” از میزبان خود در برابر مهاجم محافظت می‌کند — و ما ۱۰ فسیل دیگر داریم که هر کدام می‌توانند سامانه‌های دفاعی خاص خود را ارائه دهند.»

به گفته او، شناخت بهتر از نحوه تعامل ویروس‌ها و باکتری‌ها می‌تواند بینش‌های ارزشمندی برای به‌کارگیری ایمن و مؤثر باکتری‌ها در زیست‌فناوری و مهندسی زیستی فراهم کند.

منبع:

Joy Kirigo, Daniel Huelgas-Méndez, María Tomás, Michael J Benedik, Rodolfo García-Contreras, Thomas K Wood. Adsorption of phage T2 is inhibited due to inversion of cryptic prophage DNA by the serine recombinase PinQ. Nucleic Acids Research, 2025; 53 (19) DOI: 10.1093/nar/gkaf1041

تهیه و تنظیم: سیدطه نوربخش

نظارت و تأیید: فائزه محمدهاشم-متخصص ژنتیک