SPARDA: Ένα βακτηριακό σύστημα που ανοίγει τον δρόμο για την επόμενη γενιά διαγνωστικών εργαλείων

Το CRISPR σηματοδότησε μια «χρυσή εποχή» στη γενετική έρευνα, ωστόσο στη φύση υπάρχουν εκατοντάδες παρόμοια συστήματα με ανεξερεύνητο δυναμικό για την επεξεργασία γονιδίων. Πρόσφατα, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κατανόηση ενός μυστηριώδους συστήματος που ονομάζεται SPARDA.

Τα συστήματα CRISPR έχουν δώσει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να τροποποιούν γενετικές πληροφορίες ευκολότερα από ποτέ. Παρά το γεγονός ότι είναι ευρέως γνωστό για τις εφαρμογές του στην επεξεργασία γονιδίων, το CRISPR προέρχεται στην ουσία από ένα βακτηριακό αμυντικό σύστημα, προσαρμοσμένο και επαναχρησιμοποιημένο για ανθρώπινη χρήση.

Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό CellResearch αναδεικνύει ένα άλλο βακτηριακό αμυντικό σύστημα, γνωστό ως SPARDA (short prokaryotic Argonaute, DNase associated). Οι νέες εξελίξεις στην τεχνολογία αυξάνουν το δυναμικό για την ανάπτυξη βιοτεχνολογικών εργαλείων βασισμένων στο SPARDA, που θα μπορούσαν να βελτιώσουν τα διαγνωστικά εργαλεία που χρησιμοποιεί σήμερα το CRISPR.

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Μιντάουγκας Ζαρέμπα, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Βίλνιους στη Λιθουανία, δήλωσε στο Live Science ότι πριν από τη νέα μελέτη, οι επιστήμονες είχαν διεξάγει μόνο περιορισμένες έρευνες για τα συστήματα SPARDA. Διαπίστωσαν ότι οι πρωτεΐνες που απαρτίζουν το σύστημα υιοθετούν μια προσέγγιση τύπου καμικάζι για την άμυνα των κυττάρων, προστατεύοντας τον ευρύτερο πληθυσμό των βακτηρίων από το ξένο DNA, συμπεριλαμβανομένου του ελεύθερου DNA που ονομάζεται πλασμίδια και των ιών που ονομάζονται φάγοι.

«Τα συστήματα SPARDA προστατεύουν τα βακτήρια από πλασμίδια και φάγους καταστρέφοντας το DNA τόσο των μολυσμένων κυττάρων όσο και των εισβολέων, σκοτώνοντας έτσι το κύτταρο ξενιστή αλλά ταυτόχρονα αποτρέποντας την περαιτέρω εξάπλωση της μόλυνσης στον πληθυσμό των βακτηρίων», εξήγησε ο Ζαρέμπα.

Επειδή η ακριβής λειτουργία του SPARDA σε μοριακό επίπεδο παρέμενε ασαφής, ο Ζαρέμπα και η ομάδα του χρησιμοποίησαν το εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης AlphaFold μαζί με άλλες τεχνικές, για να διερευνήσουν τη δομή του. Το AlphaFold χρησιμοποιεί μηχανική μάθηση για να προβλέψει την τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών βάσει της αλληλουχίας των μορίων τους.

Το σύστημα SPARDA αποτελείται από πρωτεΐνες Αργοναύτες, οι οποίες ονομάστηκαν έτσι λόγω της ομοιότητάς τους με τα χταπόδια Argonauta. Οι πρωτεΐνες αυτές εντοπίστηκαν αρχικά στα φυτά, όπου οι βλαστοί που επηρεάζονταν από μεταλλάξεις σε αυτές τις πρωτεΐνες ανέπτυσσαν στενά φύλλα που θύμιζαν τα πλοκάμια ενός χταποδιού.

Η ομάδα επικεντρώθηκε σε συστήματα SPARDA που επέλεξαν τυχαία από δύο διαφορετικά βακτήρια: το πρώτο, το Xanthobacterautotrophicus, είναι ένα μικρόβιο που ζει στο έδαφος, αποφεύγει το ηλιακό φως και φτιάχνει την τροφή του από άζωτο τοπικής προέλευσης. Το δεύτερο, το Enhydrobacteraerosaccus, εντοπίστηκε για πρώτη φορά στη λίμνη Γουίντεργκριν στο Μίσιγκαν και διαθέτει «αερόσακους» που του επιτρέπουν να επιπλέει σε υδάτινα περιβάλλοντα.

Η ομάδα απομόνωσε τα συστήματα SPARDA από αυτά τα δυο βακτήρια και τα εισήγαγε στο αξιόπιστο μοντέλο E. coli για μελέτη. Η μοριακή ανάλυση έδειξε ότι κάθε πρωτεΐνη Αργοναύτης διαθέτει μια σημαντική «περιοχή ενεργοποίησης», που ονομάστηκε beta-relay, επειδή λειτουργεί σαν ένας διακόπτης: ανάβει ή σβήνει, όπως ένα ηλεκτρικό κουμπί που ελέγχει τη λειτουργία ενός μηχανήματος..

Όταν τα συστήματα SPARDA ανιχνεύουν εξωτερικές απειλές, οι διακόπτες αλλάζουν σχήμα. Το νέο σχήμα επιτρέπει στις πρωτεΐνες να σχηματίζουν συμπλέγματα με άλλες ενεργοποιημένες πρωτεΐνες Αργοναύτες, ευθυγραμμίζοντάς τες σαν στρατιώτες σε παρέλαση και δημιουργώντας μακριές, σπειροειδείς αλυσίδες που καταστρέφουν κάθε DNA που συναντούν, χωρίς να εξαιρούν ούτε τον ξενιστή ούτε τον εισβολέα. Με αυτόν τον τρόπο αποτρέπεται η εξάπλωση της μόλυνσης σε άλλα κύτταρα.

Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε το AlphaFold για να εντοπίσει beta-relays σε παρόμοιες βακτηριακές πρωτεΐνες, και οι ίδιοι «διακόπτες» εμφανίστηκαν επανειλημμένα, υποδηλώνοντας ότι αποτελούν καθολικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου πρωτεΐνης.

Η χρήση του SPARDA στη διάγνωση

Το SPARDA είναι απαραίτητο για την άμυνα των βακτηρίων, αλλά η ερευνητική ομάδα προτείνει ότι το σύστημα θα μπορούσε να ωφελήσει και τον άνθρωπο. Η ενεργοποίηση του SPARDA αποτελεί ύστατη λύση για τα βακτηριακά κύτταρα, και χρησιμοποιείται μόνο όταν η μόλυνση είναι σίγουρη. Επομένως, το σύστημα περιλαμβάνει έναν εξαιρετικά ακριβή μηχανισμό αναγνώρισης ξένου DNA, που δικαιολογεί την αυτοκαταστροφή.

Οι ερευνητές θα μπορούσαν να επαναχρησιμοποιήσουν το σύστημα για διαγνωστικούς σκοπούς. Σε αυτή την περίπτωση, το beta-relay θα μπορούσε να τροποποιηθεί ώστε να ενεργοποιείται μόνο όταν εντοπιστεί η γενετική αλληλουχία στόχος- για παράδειγμα του ιού της γρίπης ή του SARS-CoV-2. Αυτός ο μηχανισμός υποστηρίζει ήδη διαγνωστικά εργαλεία βασισμένα στο CRISPR.

Ωστόσο, τα εργαλεία CRISPR περιορίζονται σε συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA, τα λεγόμενα PAM sequences, που λειτουργούν σαν τις πρίζες σε ένα φις- αν δεν ταιριάζουν, το σύστημα δεν έχει ισχύ. Αυτό σημαίνει ότι η επιλογή της σωστής πρωτεΐνης CRISPR είναι κρίσιμη για κάθε στόχο.

«Ξέρουμε ήδη ότι τα συστήματα SPARDA δεν χρειάζονται PAM αλληλουχία», δήλωσε ο Ζαρέμπα.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργούν ως καθολικός «αντάπτορας», δίνοντας στα μελλοντικά διαγνωστικά εργαλεία μεγαλύτερη ευελιξία και αυξάνοντας την ικανότητά τους να εντοπίζουν ένα ευρύτερο φάσμα μικροβίων.