|
Скрытые индивидуальные особенности вирусов
|
|
|
|
Международная группа исследователей разработала новый способ выявления скрытых различий в том, как вирусы заражают и уничтожают отдельные микробные клетки, — решив биологическую загадку, которая оставалась неразгаданной более 80 лет.
|
|
|
|
В течение десятилетий исследователи сосредоточивались на ответе на ключевой вопрос: что происходит внутри одной зараженной клетки, прежде чем эта клетка лопнет, высвободив новое поколение вирусов? Чтобы ответить на этот вопрос, они обычно измеряют два параметра — время, необходимое вирусу для разрушения клетки, и количество высвобождаемых новых вирусов, — которые оцениваются как средние значения по популяции, маскируя потенциально важные различия между зараженными клетками.
|
|
|
|
В новом исследовании, проведенном под руководством Университета Мэриленда и опубликованном в журнале Science Advances, исследователи впервые показали, что они могут точно предсказывать скрытые различия между клетками в результатах заражения, используя измерения на уровне популяции клеток.
|
|
|
|
«Индивидуальные инфекции развиваются по-разному», — сказал ведущий автор статьи Джошуа Вайц, профессор биологии в Мэрилендском университете, работающий также в Институте медицинских вычислений Мэрилендского университета.
|
|
|
|
|
|
|
«Успешная количественная оценка этой вариации на уровне отдельной клетки открывает путь к разработке прогностических моделей того, как вирусы могут быть использованы в терапевтических целях для борьбы с устойчивыми к лекарствам патогенами и как вирусы влияют на состояние окружающей среды».
|
|
Точная прогностическая модель
|
|
|
|
Исследователи использовали математическую модель, разработанную группой Вайца за последнее десятилетие, для анализа того, как вирусные популяции накапливаются в течение нескольких циклов инфекции. Используя тонкие сигналы в крупномасштабных паттернах, модель позволила сделать выводы о том, что происходит внутри отдельных клеток, включая вариации во времени разрыва клеток и высвобождения новых вирусов.
|
|
|
|
Для проверки этих прогнозов сотрудники лаборатории Дебби Линделл, профессора биологии в Технионе — Израильском технологическом институте, разработали экспериментальный анализ отдельных клеток, который непосредственно измерял результаты инфекции в отдельных клетках. В экспериментах использовались бактериофаги, также известные как фаги, — вирусы, инфицирующие бактерии. Хотя они невидимы невооруженным глазом, фаги являются одними из самых распространенных биологических организмов на Земле и играют решающую роль в формировании микробных популяций, круговороте питательных веществ и здоровье экосистем. Фаги также все чаще изучаются и используются в терапевтических целях для борьбы с инфекциями, вызванными устойчивыми к антибиотикам бактериями, и их устранения.
|
|
|
|
Исследователи сосредоточились на паре морской фаг-бактерия: специфическом типе фага, который инфицирует многочисленные бактерии открытого океана, фиксирующие углерод посредством фотосинтеза. Вирусные инфекции этих цианобактерий влияют на круговорот углерода в глобальном масштабе, что делает их экологически важными.
|
|
|
|
Результаты показали, что предсказания математической модели оказались поразительно точными. Исследователи обнаружили, что время разрыва клетки существенно различалось от одной инфицированной клетки к другой в этой паре фаг-бактерия.
|
|
|
|
«Наши результаты помогают разгадать 80-летнюю загадку источников фенотипической изменчивости бактериофагов и углубляют понимание ключевого принципа биологии вирусов», — сказала первый автор статьи Мариан Домингес-Миразо, недавно получившая докторскую степень в области количественных бионаук в Технологическом институте Джорджии.
|
|
|
|
Исследователи также обнаружили удивительную новую взаимосвязь между тем, как долго вирус остается внутри клетки, и количеством производимого им потомства.
|
|
|
|
Хотя более ранние исследования синтетически контролируемых вирусных инфекций предполагали, что производство вируса быстро стабилизируется по мере развития инфекции, Вайц отметил, что его команда этого не наблюдала.
|
|
|
|
«Мы этого не обнаружили», — сказал Вайц, который также занимает должность заведующего кафедрой анализа данных имени Кларка в Мэрилендском университете. «Вместо этого мы увидели кусочно-линейную зависимость. Вирусы, как правило, продолжали производить потомство пропорционально продолжительности инфекции, что предполагает, что вирусы разрушают клетки в разные моменты, часто задолго до того, как у них заканчиваются доступные ресурсы».
|
|
|
|
Вариативность, связанная со временем высвобождения вируса
|
|
|
|
Это открытие помогает объяснить еще одну загадку, впервые выявленную лауреатом Нобелевской премии Максом Дельбрюком в его новаторской работе по биологии бактериофагов в 1940-х годах: почему количество вирусов, высвобождаемых из инфицированных клеток, так сильно варьируется?
|
|
|
|
Новая работа показывает, что большая часть этой вариативности может быть объяснена различиями во времени, необходимом вирусу для разрушения клетки, что предполагает, что время высвобождения вируса, как его среднее значение, так и его изменчивость, само по себе может формироваться в процессе эволюции.
|
|
|
|
Исследование объединяет микробиологию, экологию, эволюционную биологию и математическое моделирование, сказал Вайц, «предлагая новый способ понять не только среднее поведение вируса, но и скрытое разнообразие результатов инфекции, происходящих в каждой клетке по отдельности».
|
|
|
|
Помимо развития принципов вирусологии, эти результаты предоставляют важный новый количественный инструмент для изучения и прогнозирования распространения вирусных инфекций в системах, где прямые измерения на уровне отдельных клеток затруднены или невозможны.
|
|
|
|
«Поскольку вирусы, инфицирующие микробы, влияют на все — от океанических экосистем до динамики бактериальных заболеваний, — понимание скрытых вариаций вирусных характеристик может улучшить прогностические модели в науках об окружающей среде, микробиологии и новых терапевтических приложениях», — сказал Вайц.
|
|
|
|
Источник
|
