Израильские и китайские ученые обнаружили, как бактерии используют вирусные механизмы для атаки клеток
Иерусалим, 2 февраля 2026 г. (TPS-IL) — Бактерии используют древние вирусные механизмы для распознавания и атаки широкого спектра типов клеток, что может трансформировать медицину и биотехнологии, заявила группа израильских и китайских ученых.
Исследование показывает, что бактерии многократно перенацеливают одну и ту же молекулярную систему доставки, меняя белок, связывающийся с клетками. Обнаружив тысячи таких взаимозаменяемых рецептор-связывающих белков, скрытых в геномах бактерий, исследование решает давнюю биологическую загадку и предоставляет готовый набор инструментов для доставки лекарств, ферментов или других молекул в специфические клетки человека, животных или растений.
В центре внимания исследования — внеклеточные сократительные системы доставки, или eCIS, — молекулярные машины, подобные вирусам, которые бактерии используют для введения токсичных белков в клетки-мишени. Эти системы эволюционировали из бактериофагов, вирусов, заражающих бактерии, но до сих пор ученые не понимали, как одна бактериальная машина может распознавать столько разных мишеней.
«Изначально это был бактериофаг, вирус, убивающий бактерии, который мог связываться с бактериальными клетками и вводить свою ДНК», — рассказал TPS-IL ведущий исследователь профессор Асаф Леви с факультета сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Еврейского университета в Иерусалиме. «В какой-то момент эволюции это превратилось в инструмент, который различные бактерии в разных средах используют для введения токсичных белков в клетки-мишени. Удивлением стало то, что, согласно нашему анализу, существует так много клеток-мишеней. Средний вирус, как правило, очень специфичен. Но здесь мы понимаем, что eCIS эволюционировали у разных микробов для связывания с чрезвычайно различными типами клеток — не только с бактериями, но и с эукариотами, такими как животные, растения и грибы».
Исследователи давно подозревали, что eCIS полагаются на специализированные рецептор-связывающие белки для распознавания своих мишеней. Но белки меняются так быстро, что стандартные поиски не могли их обнаружить.
Чтобы решить эту проблему, Леви, аспирант Нимрод Нахмиас — работая с коллегами Жирен Вангом и Сяо Фэном из лаборатории профессора Пэна Цзяна в Пекинской ключевой лаборатории системной биологии патогенов NHC — разработали вычислительный алгоритм для обнаружения консервативных структурных элементов в быстро развивающихся белках хвостового волокна.
Сосредоточившись на общих якорных доменах, которые прикрепляют белки к частице eCIS, они идентифицировали тысячи ранее скрытых рецептор-связывающих белков. Команда каталогизировала 3445 различных белков хвостового волокна в 2585 кластерах генов eCIS у 1069 видов бактерий и архей — это самый полный набор данных такого рода.
Каждое хвостовое волокно состоит из двух частей: консервативной области, соединяющей его с системой доставки, и переменной области, определяющей, с какими клетками оно может связываться. Многие из этих рецептор-связывающих доменов были приобретены путем горизонтального переноса генов, иногда заимствуя ДНК у вирусов, растений, грибов и даже компонентов иммунной системы животных.
«Это ускоренная эволюция на стероидах», — сказал Леви TPS-IL. «Бактерии исследуют биологический мир в поисках полезных связывающих инструментов и перепрофилируют их. Ген хвостового волокна быстро эволюционировал путем приобретения чужеродной ДНК, ее рекомбинации для создания новой специфичности связывания и, если это выгодно, распространения путем горизонтального и вертикального переноса».
Чтобы продемонстрировать практическое применение, команда разработала частицу eCIS, используя хвостовое волокно бактерии Paenibacillus, напоминающее гемагглютинин — рецептор-связывающий белок вирусов гриппа и кори. Разработанная система успешно связывалась с клетками человека THP-1, подобными моноцитам, и вводила в них белки, оставляя другие типы клеток нетронутыми. Эксперименты показали, что D-манноза, сахар на поверхности клеток человека, может действовать как рецептор. Электронная микроскопия зафиксировала частицы, прикрепляющиеся к клеткам человека непосредственно перед доставкой их груза.
Леви подчеркнул потенциальные применения. «Мы показали, что разработанная eCIS может вводить вещества в один тип клеток человека, но не в другие, что отлично подходит для снижения потенциальных побочных эффектов», — сказал он TPS-IL.
Полученные результаты открывают новые возможности, предоставляя естественную, программируемую систему доставки. Разработанные частицы eCIS могут вводить белки или молекулярный груз в специфические типы клеток, оставляя другие нетронутыми. Каталог тысяч естественно развившихся рецептор-связывающих белков дает ученым универсальный набор инструментов для создания индивидуальных систем доставки для исследований, промышленных ферментов или терапевтических молекул.
Исследование также имеет применение в сельском хозяйстве и разработке антимикробных средств. Системы eCIS могут доставлять белки в сельскохозяйственные культуры без генетической модификации, повышая устойчивость к вредителям или стрессу. Бактериальные токсины и ферменты, переносимые eCIS, могут быть перепрофилированы в качестве антимикробных агентов или промышленных биокатализаторов.
«Бактерии не ограничиваются медленной адаптацией своего оружия; они могут быстро его переизобретать, заимствуя связывающие инструменты из всего биологического мира», — сказал Леви TPS-IL.
Исследование было опубликовано в рецензируемом журнале Nature Communications.
Связанные темы
