바이러스의 '광대역'네트워크는 박테리아가 더 빨리 발전하는 데 도움이 될 수 있습니다

박테리아는 생존 솔루션을 교환하기위한 자체 버전의 인터넷 버전입니다. 관련이없는 세포 사이에서 유전자 정보를 셔틀 할 수있는 바이러스 네트워크입니다. 형질 도입으로 알려진이 과정은 박테리아가 수직 상속의 세대별 플로딩을 우회하고 대신 정보를 수평으로 공유 할 수있는 방법 중 하나입니다.

과학자들은이 변환 네트워크가 수 세기 동안 박테리아 진화에 영향을 미쳐야한다는 것을 알고 있었지만, 변환 사건이 드문 것처럼 보였기 때문에 단기 영향이 제한 될 수 있다고 가정합니다. 지난주 Science 에 발표 된 연구 그러나, 1,000 배 더 자주 발생하는 새로운 형질 도입 메커니즘을 발견했으며, 이는 박테리아 진화를 비슷한 정도로 가속화 할 수 있습니다. 형질 도입은 실제로 박테리아 진화의 중심 힘 일 수 있습니다.

싱가포르 국립 대학교 미생물학 및 면역학 조교수 이자이 연구의 공동 저자 인 존 첸 (John Chen)은“우리는 전화 접속 인터넷과 유사한 속도로 변환이 발생했다고 가정했다. "그러나 어떤 경우에는 트랜스 덕션 속도가 광대역과 더 비슷한 것으로 보입니다." 그들의 결과는 형질 도입이 수평 유전자 전달을 훨씬 더 흔하게 만들 수 있다는 것을 시사 할뿐만 아니라,이 박테리아 인터넷은 박테리아와 박테리아 요법이라는 바이러스의 이점을 위해 선택에 의해 형성되었을 수 있음을 시사한다.

박테리오파지는 거미로 된 우주 비행사의 악몽에서 나오는 것과 같은 거미와 교차하는 달 착륙 모듈과 비슷합니다. 박테리아에 착륙하고 세포막을 뚫고 DNA를 세포에 주입합니다. 그곳에서 바이러스는 숙주의 세포 기계를 납치하여 자체 사본을 만들고 다른 박테리아를 감염시키기 위해 세포에서 터져 나옵니다. 드문 경우에, 박테리아 DNA의 일부는 파지 캡슐에 포장되어 대신 감염된 박테리아의 게놈에 첨가됩니다. 이 유전자 전이는 일반적인 형질 도입으로 알려져 있습니다.

박테리오파지에는 또 다른 옵션도 있습니다. 유전자는 박테리아의 게놈에 눈에 띄지 않고 기다릴 수 있습니다. 선지자로 알려진이 외국 DNA는 활성화하기 전에 여러 세대 동안 지속될 수 있습니다. 모든 시퀀싱 된 박테리아의 약 절반에는 선지가 포함되어 있으며 많은 집이 하나 이상입니다.

일단 활성화되면, 예언은 박테리아 게놈에서 자체적으로 자르고, 복제 한 다음 DNA를 파지에 포장합니다. 때때로, 절단에 오류가 발생하고 박테리아 게놈의 작은 부분이 예언과 함께 복사되어 포장됩니다. 바이테리오파지가 다른 숙주를 감염시킬 때, 비트의 박테리아 DNA는 특수한 형질 도입이라는 과정에서 새로운 숙주의 게놈에 통합됩니다.

일반화 된 형질 도입 이벤트는 드문 일이며 백만 파지 당 한 번 순서대로 발생하며 특수한 변환은 훨씬 일반적입니다. 그럼에도 불구하고, 우연한 발생은 진화 적 시간에 유리할 수 있습니다. 그러나 일부 박테리아가 환경 변화에 적응하는 속도는 첸을 당황했습니다. 그는 포도상 구균 aureus를 연구합니다 , 항생제에 대한 내성을 진화시키는 포도상 감염 뒤에 악명 높은 인간 병원체.

첸의 의심은이 연구의 공동 저자 인 글래스고 대학교 (University of Glasgow)의 공동 작업자 인 조세 페나 데 (José Penadés)의 호기심을보고 깊어졌다. Penadés와 Chen이 파지 생산의 진행을 보았을 때. aureus,  그들은 이상한 불일치를 보았습니다. 파지 DNA가 복제되어 바이러스 성 DNA가 숙주 게놈으로부터 절제되기 오래 전에 포장 된 것처럼 보였습니다.

이 지연은 잠재적으로 심오한 영향을 미쳤습니다. 예언 DNA가 여전히 숙주 게놈에 내장되어있는 동안 바이러스 성 캡슐에 복제되고 바이러스 성 캡슐에 채워진다면, 박테리아 DNA의 인접한 덩어리가 파지에 복사되어 싸워 질 수있는 더 많은 기회가있을 것입니다.

이 지연된 발전 메커니즘은 인위적으로 생성 된 돌연변이 체에서 관찰되었지만 결코 본질적으로는 보이지 않았다. Chen, Penadés 및 그들의 동료들은이 새로운 변환 메커니즘이 자연스럽게 발생한다는 것을 보여주었습니다. aureus 또한 다른 변환 모드만큼 자주 1,000 배입니다.

첸은“우리는 날아 갔다”고 말했다. "우리는 상대적으로 낮은 수준을 기대하고 있었지만 이것은 극단이었습니다." 그는 다음과 같이 덧붙였습니다.“우리는 일부 동료들에게 데이터를 보여 주었고 실제로 불신에있었습니다.”

연구원들이 말한 것처럼“측면 형질 도입”은 특히 게놈 내에 다수의 선지자가있는 박테리아에 대해 일반적이고 전문화 된 형질 도입보다 게놈의 더 큰 늪지대를 포착합니다. Chen은“우리는 이제 게놈의 훨씬 더 큰 블록이 초변형이라는 것을 이해합니다.

이 연구에 참여하지 않은 토론토 대학교 미생물학 교수 인 Alan Davidson은“이러한 결과는 이전에 실현했던 것보다 세균성 진화에서 훨씬 더 강력하다는 것을 시사합니다. "이것은 장기 진화뿐만 아니라 단기 진화뿐만 아니라 설명하는 데 실제로 도움이 될 수 있습니다."

데이비슨은 또한 설명 할 수없는 게놈 데이터의 일부가 측면 형질 도입에 비추어 더 의미가 있다고 언급했다. 그는 생쥐를 선지자를 활성화시켜 작용하는 항생제 인 시프로플록사신으로 치료 한 최근의 연구를 인용합니다. 이 처리는 마우스의 파지 바이러스 중 항생제 내성 유전자의 꽃을 생성했으며, 이는 예언 활성화와 일치하여 측면 형질 도입에서 급증을 유발합니다.

측면 형질 도입이 해결할 수있는 또 다른 신비는 항생제 내성을 피하고 더 악성이되는 유전자 도구를 함유하는 박테리아 게놈 덩어리 인“병원성 섬”의 존재입니다. 그들은 포도상 구균의 많은 병원성 종의 게놈을 점유한다. , 그러나 그들의 비 병원성 근접 친척에는 이상하게 결석합니다. 과학자들은이 패턴을 설명하기 위해 고군분투했지만 측면 형질 도입은 그럴듯한 메커니즘을 제공합니다.

실제로, 그것을 확인하기 위해 더 많은 노력이 필요하지만, 일부 증거는 많은 것을 암시합니다. aureus 병원성 섬은 예언 부착 장소 주위에 모여있을 수 있습니다. Penadés는“전 세계를 여행하고 싶다면 매우 영리한 곳입니다.

Penadés의 요점은 측면 형질 도입이 박테리아와 숙주 사이의 긴 공동 진화 협상의 산물 인 실수보다 혁신 일 수있는 가능성을 높입니다. 바이러스는 숙주의 체력과 독성을 높이면 더 쉽게 확산 될 수 있지만, 박테리아의 경우 유익한 유전자의 바이러스 성 네트워크에 연결되는 장점은 일부 세포를 죽이는 선지자의 부수적 손상을 능가 할 수 있습니다.

Dartmouth College의 부교수 인 Olga Zhaxybayeva는 박테리아와 바이러스의 공동 진화를 연구 하고이 연구에 관여하지 않았으며 이러한 발견에 흥미가 있습니다. 그러나 그녀는 선택이 양 당사자의 이익을 위해이 메커니즘을 미세 조정했다고 가정하지 않도록주의를 기울입니다. "이것은 확실히 흥미로운 가능성과 테스트의 가치가 있지만 아직 확실히 말할 수는 없습니다."라고 그녀는 말했습니다.

Carroll University의 바이러스 학자이자 생물학 부교수 인 Christine Schneider는“이러한 결과는 매우 놀랍습니다. "이것은 흥미로운 메커니즘이며 다른 박테리아 사이에 널리 퍼져 있는지 궁금합니다."

Chen은 측면 형질 도입이 더 많은 박테리아 그룹에서 연구되어야한다는 데 동의하지만, 메커니즘이 널리 퍼져 있다고 생각합니다. 그의 그룹은 더 많은 박테리아 종을 조사하고 자연 환경에서 측면 형질 도입이 발생한다는 증거를 찾을 계획입니다. Chen은“일반적인 경우 측면 변환은 정말로 강력 할 수 있습니다. "완전한 유전자 세트는 이전에 본 적이없는 박테리아 세포로 전달 될 수 있으며, 1 초 만에 수백만 또는 10 억 년의 진화를 우회했습니다."