Руските учени разбират как най-упоритите бактерии оцеляват в радиация
Бактериите Терминатор и редакционната му колегия
Как легендарната бактерия Deinococcus radiodurans успява да оцелее в радиация, как радиацията влияе върху живите клетки и дали силата на бактериите може да бъде насочена срещу тях, установиха руски учени.
Мнозина са чували за микроскопични безгръбначни тардигради (тип близо до членестоноги Тардиграда), които външно наподобяват кръстоска между надуваем матрак и плюшено мече, които не потъват във вода и не се страхуват от космическа радиация и след крио замръзване те оживяват. Deinococcus radiodurans - "тардигради" сред бактериите.
Въпреки че едноклетъчните дейнококи са много различни от техните еукариотни (имащи ядра в клетките) многоклетъчни колеги, те не са по-ниски от него по жизненост и могат да издържат
радиационна доза до 10 хиляди сиво (за хората доза 5 сиво е смъртоносна), изсушаване и химическо излагане.
Как радиацията вреди на клетката
Deinococcus radiodurans бяха открити случайно: през 1956 г. те бяха открити „в добро здраве“ в буркан с консервирано месо, което те се опитаха да стерилизират с помощта на радиация.
Обикновено всяко йонизиращо лъчение - поток от заредени или неутрални частици или кванти, които могат да преобразуват неутралните атоми в заредени йони, възбуждайки ги - разрушава хармонията на координирания механизъм на химичните трансформации, които се случват в живата клетка.
Неустоимите химически сили започват да привличат йонизирани атоми към своите „съседи“, към които те са били абсолютно „безразлични“ в невъзбудено състояние. Дори безопасни и повсеместни неутрални водни молекули могат да бъдат превърнати в пероксид и след това супероксид - опасни свободни радикали, един от основните източници на увреждане на биологичните молекули в клетката. Действието на свободните радикали се нарича оксидативен стрес, тъй като е свързано с окисляването на биомолекулите.
Резултатът е случайни химически връзки, молекулярно объркване и „разрушаване на традиционните ценности“. Вътре в живата клетка основният „пазител на традициите“ е ДНК, която съдържа в кодирана форма инструкции за събиране на всички нейни протеини, най-важните участници в основните клетъчни процеси. Следователно радиацията (подобно на много токсични вещества), нарушавайки ДНК последователността, представлява смъртна опасност за клетките: някои мутации може случайно да се окажат полезни, но ако не се стремите да пренаредите частите в правилно работещ сложен механизъм, вероятността да го счупите е несравнимо по-голяма от вероятността да измислите нещо добро.
Освен това в ДНК могат да се образуват прекъсвания, които пречат на четенето на кода. Самите протеини се „разбиват“ - особено често SH-групите в цистеина (една от аминокиселините - „градивните елементи“, от които е изградена белтъчната молекула) се увреждат, което нарушава техните функции.
Издигане от радиоактивна пепел
Как бактериите оцеляват в такива условия? Увреждането на ДНК на живите организми не винаги води до ужасни последици. Клетките имат специални механизми за възстановяване - „поправка“ на скъпоценна молекула, например, една от нейните вериги може да бъде завършена чрез „надникване“ във втората на същото място и избор на нуклеотиди („букви“ от генетичния код) според принципът на допълняемост, т.е. заместване на липсващия фрагмент от сдвоените "букви".
ДНК на Deinococcus radiodurans е опакован в две кръгови хромозоми и две плазмиди - сравнително малки допълнителни кръгови ДНК молекули. Всяка такава молекула е представена в размер от четири до десет копия във всеки момент от живота на клетката, следователно тя винаги има много резервни опции за „проверка“ (а не само две, както имаме в соматичните клетки). Освен това се оказа, че основната опасност за живота на Deinococcus не е увреждането на ДНК (което може да бъде възстановено с помощта на допълнителни копия), а именно разрушаването на структурата на протеините, участващи в неговото възстановяване.
За да „поправи“ прекъсванията в ДНК, бактерията има допълнителни протеини: някои се свързват с единична верига на ДНК, когато се разкъсат, за да я предпазят от по-нататъшни увреждания, други, работещи като „полиция на клетката“, улавят създателите на проблеми, свободните радикали и се разбиват ги надолу.
Освен това всички бактерии имат допълнителни „трикове“, които ви позволяват да правите корекции директно по време на транскрипция - четене на „ДНК текстове“. Доскоро обаче не беше известно дали има някакви характеристики на този процес в Deinococcus radiodurans.
Редактиране на трикове
„РНК полимеразата е един от най-консервираните ензими в еволюцията и нейната структура е много сходна както при бактериите, така и при хората. В същото време различните организми използват голямо разнообразие от начини за регулиране на работата на този ензим.
Една от най-интересните групи регулаторни фактори са протеините, които могат директно да повлияят на активния център на РНК полимеразата. За целта те се свързват в специален канал, който свързва повърхността на РНК полимеразата с активния център (т.нар. Вторичен канал, за разлика от първичния канал, в който се свързват ДНК и РНК) “, казва Андрей Кулбачински.
„Факторите, които изследвахме - Gfh-протеини - са роднини (хомолози) на Gre-факторите. Въпреки това, вместо да превключват активността на РНК полимеразата, те я инхибират! Нещо повече, при бактерията, която изследваме (Deinococcus radiodurans), това се случва само в определени части на генома и само в присъствието на манганови йони, които, както отдавна е известно, играят роля за защита на клетките на Deinococcus от оксидативен стрес “, Казва ученият.
Перспективи: ще Gfh фактори "борба бактерии със собственото си оръжие"?
Изследователите предполагат, че протеините Gfh могат да "фиксират" РНК полимеразата в определено структурно състояние, като спират нейното движение по ДНК молекулата. Такава РНК-полимераза, „замразена поради грешка“, се разпознава от други протеини - факторите за възстановяване на ДНК („възстановяване“) и репликация (възпроизвеждане). Следващата задача на учените ще бъде да изследват ролята на Gfh протеините в защитата на дейнококите от радиация.
Авторът добавя, че е възможно и практическо приложение на резултатите от изследването. Тъй като Gfh факторите фиксират РНК полимеразата и спират транскрипцията, изучавайки ги, можете да създадете или намерите други молекули, които могат да попречат на бактериите да пренаписват информация от ДНК в РНК и да синтезират протеини. РНК полимеразата се променя бавно с течение на времето, така че е много подобна на бактериите и е удобна за използване като мишена за антибактериални лекарства. И така, антибиотик рифампицин, използва се в борбата срещу бацила на Кох, който причинява туберкулоза, инхибира точно РНК полимеразата на бактериите (въпреки че с течение на времето те развиват резистентност към нея, което прави производството на нови антибиотици най-важният проблем в близко бъдеще).