Các phage có thể cảm nhận được tổn thương DNA của vi khuẩn, điều này kích hoạt chúng tái tạo và nhảy tàu. Design Cells / iStock qua Getty Images Plus

Sau hơn hai năm xảy ra đại dịch COVID-19, bạn có thể hình dung một loại virus giống như một quả bóng có gai khó chịu - một kẻ giết người vô tâm xâm nhập vào một tế bào và chiếm quyền điều khiển máy móc của nó để tạo ra một bản sao gazillion của chính nó trước khi bùng phát. Đối với nhiều loại vi rút, bao gồm coronavirus gây ra COVID-19, câu nói mô tả về “kẻ giết người không có tâm” về cơ bản là đúng.

Nhưng có nhiều thứ liên quan đến sinh học vi rút hơn là nhìn bằng mắt.

Nhiễm HIV, loại vi rút gây ra AIDS. HIV là một retrovirus điều đó không trực tiếp gây sát thương khi nó xâm nhập vào một ô. Thay vào đó, nó tự tích hợp vào nhiễm sắc thể của bạn và làm lạnh, chờ đợi thời điểm thích hợp để ra lệnh cho tế bào tạo ra các bản sao của nó và bùng phát để lây nhiễm các tế bào miễn dịch khác và cuối cùng gây ra bệnh AIDS.

Chính xác khoảnh khắc mà HIV đang chờ đợi vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Nhưng nghiên cứu về các loại virus khác từ lâu đã gợi ý rằng những mầm bệnh này có thể khá “chu đáo” về việc tiêu diệt. Tất nhiên, virus không thể nghĩ theo cách bạn và tôi làm. Nhưng hóa ra, sự tiến hóa đã ban tặng cho họ một số cơ chế ra quyết định khá phức tạp. Ví dụ, một số vi rút sẽ chọn rời khỏi tế bào mà chúng đang cư trú nếu chúng phát hiện ra tổn thương DNA. Thậm chí không phải vi rút, nó xuất hiện, giống như ở trong một con tàu đang chìm.

My phòng thí nghiệm đã nghiên cứu sinh học phân tử của vi khuẩn, hay gọi tắt là thể thực khuẩn, những vi rút lây nhiễm vi khuẩn, trong hơn hai thập kỷ. Gần đây, các đồng nghiệp của tôi và tôi đã cho thấy rằng các phage có thể lắng nghe các tín hiệu quan trọng của tế bào để giúp chúng ra quyết định. Tệ hơn nữa, chúng có thể sử dụng “đôi tai” của chính tế bào để nghe chúng.

Thoát khỏi tổn thương DNA

Nếu kẻ thù của kẻ thù là bạn của bạn, các phage chắc chắn là bạn của bạn. Thể thực khuẩn kiểm soát quần thể vi khuẩn trong tự nhiên, và các bác sĩ lâm sàng ngày càng sử dụng chúng để điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn không đáp ứng với kháng sinh.

Thực khuẩn thể được nghiên cứu tốt nhất, lambda, hoạt động giống như HIV. Khi xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, lambda quyết định xem có nên tái tạo và tiêu diệt tế bào đó hoàn toàn, giống như hầu hết các loại vi rút hay tự tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào, như HIV. Nếu là thứ hai, lambda sẽ sao chép vô hại với vật chủ của nó mỗi khi vi khuẩn phân chia.

Video này cho thấy một lambda phage lây nhiễm vi khuẩn E. coli.

Tuy nhiên, giống như HIV, lambda không chỉ ngồi yên một chỗ. Nó sử dụng một loại protein đặc biệt gọi là CI giống như một ống nghe để lắng nghe các dấu hiệu tổn thương DNA trong tế bào vi khuẩn. Nếu DNA của vi khuẩn bị xâm phạm, đó là tin xấu cho thực khuẩn lambda nằm trong đó. DNA bị hỏng sẽ dẫn thẳng đến bãi rác của quá trình tiến hóa vì nó vô dụng đối với thực khuẩn thể cần nó để tái sản xuất. Vì vậy, lambda kích hoạt các gen sao chép của nó, tạo ra các bản sao của chính nó và bùng phát ra khỏi tế bào để tìm kiếm thêm các tế bào không bị hư hại để lây nhiễm.

Khai thác hệ thống liên lạc của tế bào

Một số thực khuẩn thể, thay vì thu thập thông tin bằng protein của riêng chúng, chạm vào cảm biến tổn thương DNA của chính tế bào bị nhiễm: LexA.

Các protein như CI và LexA là các yếu tố phiên mã bật và tắt các gen bằng cách liên kết với các mẫu di truyền cụ thể trong sách hướng dẫn DNA là nhiễm sắc thể. Một số phage như Coliphage 186 đã phát hiện ra rằng chúng không cần protein CI của virus nếu chúng có một chuỗi DNA ngắn trong nhiễm sắc thể mà vi khuẩn LexA có thể liên kết. Khi phát hiện tổn thương DNA, LexA sẽ kích hoạt các gen sao chép và giết chết của phage, về cơ bản là lai hai lần tế bào để tự sát trong khi cho phép phage trốn thoát.

Các nhà khoa học lần đầu tiên báo cáo vai trò của CI trong việc ra quyết định của thể thực khuẩn trong 1980 và mánh khóe phản gián của Coliphage 186 vào cuối những năm 1990. Kể từ đó, đã có một vài báo cáo khác về việc các phage khai thác hệ thống giao tiếp của vi khuẩn. Một ví dụ là thể thực khuẩn phi29, khai thác yếu tố phiên mã của vật chủ để phát hiện khi nào vi khuẩn chuẩn bị tạo bào tử hoặc một loại trứng vi khuẩn có khả năng sống sót trong môi trường khắc nghiệt. Phi29 hướng dẫn tế bào gói DNA của nó vào trong bào tử, giết chết vi khuẩn đang nảy mầm sau khi bào tử nảy mầm.

Các yếu tố phiên mã làm bật và tắt gen.

Trong của chúng tôi nghiên cứu được công bố gần đây, các đồng nghiệp của tôi và tôi chỉ ra rằng một số nhóm phage đã phát triển độc lập khả năng thâm nhập vào một hệ thống giao tiếp khác của vi khuẩn: protein CtrA. CtrA tích hợp nhiều tín hiệu bên trong và bên ngoài để thiết lập chuyển động các quá trình phát triển khác nhau ở vi khuẩn. Chìa khóa trong số này là sản xuất các phần phụ của vi khuẩn được gọi là roi và pili. Hóa ra, các thể thực khuẩn này tự gắn vào các pili và trùng roi của vi khuẩn để lây nhiễm cho chúng.

Giả thuyết hàng đầu của chúng tôi là các phage sử dụng CtrA để đoán khi nào có đủ vi khuẩn ở gần thể thao pili và trùng roi mà chúng có thể dễ dàng lây nhiễm. Một thủ thuật khá thông minh cho một “kẻ giết người không có trí óc”.

Đây không phải là những phage duy nhất đưa ra những quyết định phức tạp - tất cả đều không có lợi cho dù có não. Một số phage lây nhiễm vi trùng vi khuẩn tạo ra một phân tử nhỏ mỗi khi chúng lây nhiễm vào tế bào. Các phage có thể cảm nhận được phân tử này và sử dụng nó để đếm số lần nhiễm thể thực khuẩn diễn ra xung quanh họ. Giống như những kẻ xâm lược ngoài hành tinh, số lượng này giúp quyết định khi nào chúng nên bật gen sao chép và giết chết của mình, chỉ giết khi vật chủ tương đối nhiều. Bằng cách này, các phage đảm bảo rằng chúng không bao giờ cạn kiệt vật chủ để lây nhiễm và đảm bảo sự tồn tại lâu dài của chính chúng.

Chống lại phản gián virus

Bạn có thể tự hỏi tại sao bạn nên quan tâm đến các hoạt động phản gián do vi rút vi khuẩn điều hành. Mặc dù vi khuẩn rất khác so với con người, nhưng vi rút lây nhiễm cho chúng là không khác khỏi vi rút lây nhiễm sang người. Khá nhiều mọi thủ thuật do thực khuẩn thể chơi sau đó đã được chứng minh là được sử dụng bởi vi rút ở người. Nếu một thể thực khuẩn có thể chạm vào các đường liên lạc của vi khuẩn, tại sao một vi rút ở người không chạm vào của bạn?

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết vi rút ở người có thể lắng nghe điều gì nếu chúng chiếm đoạt được những đường truyền này, nhưng có rất nhiều lựa chọn được đưa ra trong đầu. Tôi tin rằng, giống như thực khuẩn thể, virus ở người có khả năng đếm được số lượng của chúng để lập chiến lược, phát hiện sự phát triển của tế bào và hình thành mô và thậm chí theo dõi các phản ứng miễn dịch. Hiện tại, những khả năng này chỉ là suy đoán, nhưng cuộc điều tra khoa học đang được tiến hành.

Vi-rút nghe thấy các cuộc trò chuyện riêng tư của tế bào không phải là lý do chính đáng trong các bức ảnh, nhưng cũng không phải là không có lớp lót bạc. Như các cơ quan tình báo trên toàn thế giới đều biết rõ, phản gián chỉ hoạt động khi bí mật. Sau khi bị phát hiện, hệ thống rất dễ bị lợi dụng để cung cấp thông tin sai lệch cho kẻ thù của bạn. Tương tự, tôi tin rằng các liệu pháp kháng vi-rút trong tương lai có thể kết hợp pháo binh thông thường, như thuốc chống vi-rút ngăn chặn sự nhân lên của vi-rút, với thủ thuật chiến tranh thông tin, chẳng hạn như khiến vi-rút tin rằng tế bào mà nó nằm trong một mô khác.

Nhưng, im lặng, đừng nói cho ai biết. Virus có thể đang lắng nghe!

Giới thiệu về Tác giả

Ivan Erill, Phó Giáo sư Khoa học Sinh học, Đại học Maryland, Hạt Baltimore

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan:

Cơ thể ghi điểm: Bộ não và cơ thể trong quá trình chữa lành chấn thương

bởi Bessel van der Nikol

Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chấn thương với sức khỏe thể chất và tinh thần, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để chữa lành và phục hồi.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Hơi thở: Khoa học mới về nghệ thuật đã mất

bởi James Nestor

Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành thở, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và kỹ thuật để cải thiện sức khỏe thể chất và tinh thần.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Nghịch lý thực vật: Nguy cơ tiềm ẩn trong thực phẩm "lành mạnh" gây bệnh và tăng cân

của Steven R. Gundry

Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chế độ ăn uống, sức khỏe và bệnh tật, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Mã miễn dịch: Mô hình mới cho sức khỏe thực sự và chống lão hóa triệt để

bởi Joel Greene

Cuốn sách này đưa ra một quan điểm mới về sức khỏe và khả năng miễn dịch, dựa trên các nguyên tắc biểu sinh và đưa ra những hiểu biết sâu sắc cũng như chiến lược để tối ưu hóa sức khỏe và lão hóa.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng

Hướng dẫn hoàn chỉnh về nhịn ăn: Chữa lành cơ thể thông qua nhịn ăn gián đoạn, luân phiên và kéo dài

bởi Tiến sĩ Jason Fung và Jimmy Moore

Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành nhịn ăn, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.

Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng