كنز البروتينات المضادة للفيروسات يمكن أن يلهم الأدوات الجزيئية القوية

تحارب البكتيريا الفيروسات باستخدام ترسانة ضخمة من الأسلحة الجزيئية التي لم يعرف العلماء عنها شيئًا حتى الآن.

وفي الدراسات المنشورة في علوم اليوم، يصف فريقان بحثيان خوارزميات التعلم الآلي التي طوروها لفحص الجينوم البكتيري وتحديد البروتينات التي تشارك في حماية الكائنات الحية الدقيقة ضد الغزاة الفيروسيين. وحددت تحليلاتهم مئات الآلاف من البروتينات المحتملة المضادة للفيروسات، والتي يمكن للباحثين تسخيرها لتطوير تقنيات حيوية مبتكرة.

يقول خوسيه أنطونيو إسكوديرو، عالم الأحياء الدقيقة في المركز الوطني للتكنولوجيا الحيوية CSIC في مدريد، والذي لم يشارك في أي من الدراستين: “هذا كنز ثمين لأي عالم في الكيمياء الحيوية”.

تشمل الاكتشافات السابقة للأنظمة المناعية المضادة للفيروسات في البكتيريا نظام تحرير الجينات CRISPR-Cas9 وبروتينات قص الحمض النووي التي تسمى إنزيمات التقييد. وقد أعاد الباحثون استخدام كلا النظامين لإنشاء أدوات جزيئية للهندسة الوراثية.

يقول مايكل لوب، عالم الأحياء الدقيقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج، والمؤلف المشارك في إحدى الدراسات: “هناك أمل في أنه ربما يكون هناك جيل قادم من الأدوات الجزيئية التي يمكن أن تأتي من بعض هذه الأنظمة الجديدة”.¹.

دفاعات البروتين

عند النظر إلى جينوم البكتيريا، “معظمها لا يزال عبارة عن مادة مظلمة”، كما يقول إسكوديرو. “هناك أشياء كثيرة لا نعرف كيف تعمل أو ما هي.”

وكانت دراسات سابقة أكدت أن البكتيريا تستخدم أكثر من 250 بروتينا لحماية نفسها من الالتهابات الفيروسية. اقترح الباحثون أن الجهاز المناعي البكتيري الحقيقي أكبر بكثير وأكثر تنوعًا من هذا، “لكن السؤال الكبير هو ما مدى التنوع وكيف يمكننا التنبؤ به فعليًا على نطاق واسع؟”، كما يقول أود بيرنهايم، عالم الأحياء الدقيقة في معهد باستور في باريس ومؤلف مشارك في إحدى الأوراق البحثية.².

تستخدم البكتيريا جزيءًا دفاعيًا خادعًا لنصب فخ للفيروسات

في دراستهم²قامت بيرنهايم وزملاؤها بتدريب نماذج التعلم العميق على البيانات البروتينية والجينومية للتنبؤ بالأنظمة المضادة للفيروسات. كان هدفهم هو تحديد “النطاق الكامل للتنوع في المناعة البكتيرية”، كما يقول بيرنهايم. وقدر التحليل أن 1.5% في المتوسط ​​من الجينات الموجودة في الجينوم البكتيري تتوافق مع البروتينات المشاركة في المناعة المضادة للفيروسات، أي أكثر بثلاث مرات من التقديرات السابقة. وأكثر من 85% من عائلات البروتين المتوقعة لم تكن مرتبطة سابقًا بالمناعة. تجارب مخبرية على نوعين بكتيريين – الإشريكية القولونية و العقدية البيضاء – أكد وجود 12 نظامًا مضادًا للفيروسات تعمل على درء الفيروسات التي تسمى العاثيات التي تصيب البكتيريا. ولم يتم ربط الأنظمة من قبل بالدفاع المضاد للفيروسات.

في ورقتهم، لوب وزملاؤه¹ صمم أداة منفصلة للتعلم الآلي تسمى DefensePredictor، والتي تتنبأ بالبروتينات المناعية البكتيرية على أساس بيانات الجينات والبروتينات من 17000 جينوم بكتيري.

عند اختباره على 69 سلالة متنوعة من الإشريكية القولونيةحددت شركة DefensePredictor 624 بروتينًا على أنها أجهزة مناعية مرتبطة بالدفاع، أكثر من 100 منها لم تكن معروفة من قبل. وفي التجارب المعملية، أكد لوب وزملاؤه النشاط الدفاعي في 42 حالة.

توصلت كلتا الدراستين إلى نفس النتيجة، وهي أن الباحثين “قللوا بشكل كبير من عدد الأنظمة الدفاعية”، كما يقول لوب. ويضيف أن البحث “يسلط الضوء على عدد الأنظمة التي لا يزال يتعين علينا وصفها”.

يقول إسكوديرو إن الاكتشافات تشمل “مئات الجينات التي لم نكن نعرف أنها مرتبطة ببعضها البعض”.