Shkencëtarët krijojnë baktere të mbingarkuara me imunitet ndaj infeksioneve virale

Në një hap përpara për inxhinierinë gjenetike dhe biologjinë sintetike, studiuesit kanë modifikuar një lloj bakteri Escherichia coli për të qenë imun ndaj infeksioneve natyrore virale, duke minimizuar gjithashtu potencialin që bakteret ose gjenet e tyre të modifikuara të shpëtojnë në natyrë.

Puna premton të reduktojë kërcënimet e ndotjes virale kur shfrytëzohen bakteret për të prodhuar ilaçe si insulina, si dhe substanca të tjera të dobishme, si biokarburantet. Aktualisht, viruset që infektojnë kazanët e baktereve mund të ndalojnë prodhimin, të rrezikojnë sigurinë e barnave dhe të kushtojnë miliona dollarë.

“Ne besojmë se kemi zhvilluar teknologjinë e parë për të projektuar një organizëm që nuk mund të infektohet nga ndonjë virus i njohur,” tha autori i parë i studimit, Akos Nyerges, studiues në gjenetikë në laboratorin e George Church në Institutin Blavatnik në Harvard. Shkolla Mjekësore dhe Instituti Wyss për Inxhinierinë e Frymëzuar Biologjikisht.

“Nuk mund të themi se është plotësisht rezistent ndaj viruseve, por deri më tani, bazuar në eksperimente të gjera laboratorike dhe analiza llogaritëse, ne nuk kemi gjetur një virus që mund ta thyejë atë,” tha Nyerges.

Puna siguron gjithashtu masën e parë të integruar të sigurisë që parandalon materialin gjenetik të modifikuar të përfshihet në qelizat natyrore, tha ai.

Autorët thanë se puna e tyre sugjeron një metodë të përgjithshme për të bërë çdo organizëm imun ndaj viruseve dhe për të parandaluar rrjedhjen e gjeneve brenda dhe jashtë organizmave të modifikuar gjenetikisht (OMGJ). Strategji të tilla biokmbajtjeje janë me interes në rritje ndërsa grupet eksplorojnë vendosjen e sigurt të OMGJ-ve për rritjen e kulturave, reduktimin e përhapjes së sëmundjeve, gjenerimin e biokarburanteve dhe largimin e ndotësve nga mjediset e hapura.

Gjetjet bazohen në përpjekjet e mëparshme të inxhinierëve gjenetikë për të arritur një bakter të dobishëm, të sigurt dhe rezistent ndaj viruseve.

Në vitin 2022, një grup nga Universiteti i Kembrixhit menduan se kishin bërë një shtam E. coli imun ndaj viruseve. Por më pas Nyerges u bashkua me shokun hulumtues Siân Owen dhe studenten e diplomuar Eleanor Rand në laboratorin e bashkëautorit Michael Baym, asistent profesor i informatikës biomjekësore në Institutin Blavatnik në HMS. Kur ata provuan vende lokale të mbushura me E. coli, duke përfshirë strehët e pulave, foletë e minjve, ujërat e zeza dhe lumin Muddy poshtë rrugës nga kampusi HMS, ata zbuluan viruse që ende mund të infektojnë bakteret e modifikuara.

Zbulimi se bakteret nuk ishin plotësisht rezistente ndaj viruseve “ishte një e keqe”, tha Nyerges.

Metoda fillestare kishte përfshirë riprogramimin gjenetik të E. coli për të bërë të gjitha proteinat e tyre që mbështesin jetën nga 61 grupe blloqesh ndërtuese gjenetike, ose kodone, në vend të 64 që ndodheshin në mënyrë natyrale. Ideja ishte që viruset nuk do të ishin në gjendje të rrëmbenin qelizat sepse ata nuk mund të replikoheshin pa kodonet që mungonin.

Ekipi HMS, megjithatë, kuptoi se fshirja e kodoneve nuk ishte e mjaftueshme. Disa viruse po sillnin pajisjet e tyre për të kapërcyer pjesët që mungonin.

Pra, Nyerges dhe kolegët zhvilluan një mënyrë për të ndryshuar atë që ato kodone i thonë një organizmi të bëjë – diçka që shkencëtarët nuk e kishin bërë në këtë masë në qelizat e gjalla.

Çelësi qëndronte te ARN-të e transferimit, ose tRNA.

Roli i çdo tRNA është të njohë një kodon specifik dhe të shtojë aminoacidin përkatës në një proteinë që po ndërtohet. Për shembull, kodoni TCG i thotë tARN-së së tij që përputhet të bashkojë serinën e aminoacideve.

Në këtë rast, ekipi i Kembrixhit kishte fshirë TCG së bashku me kodonin e motrës TCA, i cili gjithashtu kërkon serinë. Ekipi kishte hequr gjithashtu tRNA-të përkatëse.

Ekipi HMS tani shtoi tRNA të reja, mashtruese në vend të tyre. Kur këto tRNA shohin TCG ose TCA, ata shtojnë leucinë në vend të serinës.

“Leucina është pothuajse aq e ndryshme nga serina sa mund të merrni, fizikisht dhe kimikisht,” tha Nyerges.

Kur një virus pushtues injekton kodin e tij gjenetik plot me TCG dhe TCA dhe përpiqet t’i tregojë E. coli të prodhojë proteina virale, këto tRNA ngatërrojnë udhëzimet e virusit.

Futja e aminoacideve të gabuara rezulton në proteina virale të palosura dhe jofunksionale. Kjo do të thotë se virusi nuk mund të riprodhohet dhe të vazhdojë të infektojë më shumë qeliza.

Sidoqoftë, viruset janë të pajisur edhe me tARN-të e tyre. Këto ende mund të kthejnë me saktësi TCG dhe TCA në serinë. Por Nyerges dhe kolegët dhanë prova se tRNA-të mashtruese që ata prezantuan janë aq të mira në punët e tyre saqë i mposhtin homologët e tyre viralë.

“Ishte shumë sfiduese dhe një arritje e madhe për të demonstruar se është e mundur të ndërrohet kodi gjenetik i një organizmi,” tha Nyerges, “dhe se funksionon vetëm nëse e bëjmë në këtë mënyrë.”

Puna mund të ketë pastruar pengesën e fundit në bërjen e një bakteri imun ndaj të gjitha viruseve, megjithëse ka ende një shans që të shfaqet diçka që mund të thyejë mbrojtjen, thanë autorët.

Ekipi ka besim duke ditur se tejkalimi i kodoneve të këmbyera do të kërkonte që një virus të zhvillonte dhjetëra mutacione specifike në të njëjtën kohë.

“Kjo është shumë, shumë e pamundur për evolucionin natyror,” tha Nyerges.

Puna përfshin dy masa mbrojtëse të veçanta.

E para mbron nga transferimi horizontal i gjeneve, një fenomen që ndodh vazhdimisht në të cilin copat e kodit gjenetik dhe tiparet e tyre shoqëruese, si rezistenca ndaj antibiotikëve, transferohen nga një organizëm në tjetrin.

Nyerges dhe kolegët e shkurtuan këtë rezultat duke bërë zëvendësime në të gjithë gjenet në qelizat e modifikuara E. coli, në mënyrë që të gjithë kodonet që kërkojnë leucinë të zëvendësoheshin me TCG ose TCA – kodonet që në një organizëm të pamodifikuar do të kërkonin serinë. Bakteret ende prodhonin saktë leucinën në ato vende për shkak të tRNA-ve të tyre mashtruese.

Megjithatë, nëse një organizëm tjetër do të përfshinte ndonjë nga pjesët e modifikuara në gjenomin e tij, tARN-të natyrore të organizmit do të interpretonin TCG dhe TCA si serinë dhe do të përfundonin me proteina të padëshiruara që nuk përcjellin ndonjë avantazh evolucionar.

“Informacioni gjenetik do të jetë i kotë,” tha Nyerges.

Në mënyrë të ngjashme, ekipi tregoi se nëse një nga tRNA-të mashtruese të E. coli transferohet në një organizëm tjetër, keqleximi i kodoneve të serinës pasi kodonet e leucinës dëmton ose vret qelizën, duke parandaluar përhapjen e mëtejshme.

“Çdo tRNA i modifikuar që shpëton nuk do të shkojë larg sepse ato janë toksike për organizmat natyrorë,” tha Nyerges.

Puna përfaqëson teknologjinë e parë që parandalon transferimin horizontal të gjeneve nga organizmat e modifikuar gjenetikisht në organizma natyrorë, tha ai.

Për të dytën të sigurtë, ekipi projektoi vetë bakteret që të mos ishin në gjendje të jetonin jashtë një mjedisi të kontrolluar.

Ekipi përdori një teknologji ekzistuese të zhvilluar nga laboratori i Kishës për ta bërë E. coli të varur nga një aminoacid i prodhuar nga laboratori që nuk ekziston në natyrë. Punëtorët që kultivojnë këto E. coli për të prodhuar insulinë, për shembull, do t’i ushqejnë ata me aminoacidin e panatyrshëm. Por nëse ndonjë bakter do të shpëtonte, ata do të humbnin aksesin në atë aminoacid dhe do të vdisnin.

Prandaj, asnjë njeri apo krijesa e tjera nuk rrezikohet të infektohet nga “superbakteret”, theksoi Nyerges.

Nyerges pret me padurim të eksplorojë riprogramimin e kodonit si një mjet për nxitjen e baktereve për të prodhuar materiale sintetike të dobishme mjekësore që përndryshe do të kërkonin kimi të shtrenjtë. Dyert e tjera ende nuk janë hapur.