I fagi possono percepire danni al DNA batterico, che li innesca a replicarsi e saltare la nave. Progetta Celle/iStock tramite Getty Images Plus

Dopo più di due anni di pandemia di COVID-19, potresti immaginare un virus come una brutta palla a spillo: un killer senza cervello che entra in una cella e dirotta i suoi macchinari per creare un miliardo di copie di se stesso prima di esplodere. Per molti virus, incluso il coronavirus che causa il COVID-19, l'epiteto di "assassino senza cervello" è essenzialmente vero.

Ma c'è di più nella biologia dei virus di quanto sembri.

Prendi l'HIV, il virus che causa AIDS. L'HIV è un retrovirus che non va direttamente in una follia omicida quando entra in una cella. Invece, si integra nei tuoi cromosomi e si raffredda, aspettando il momento giusto per comandare alla cellula di farne copie ed esplodere per infettare altre cellule immunitarie e alla fine causare l'AIDS.

Il momento esatto che l'HIV sta aspettando è ancora un area di studio attivo. Ma la ricerca su altri virus ha da tempo lasciato intendere che questi agenti patogeni possono essere piuttosto "premurosi" sull'uccisione. Naturalmente, i virus non possono pensare come noi e te. Ma, a quanto pare, l'evoluzione li ha dotati di alcuni meccanismi decisionali piuttosto elaborati. Alcuni virus, ad esempio, sceglieranno di lasciare la cellula in cui risiedono se rilevano danni al DNA. Nemmeno i virus, a quanto pare, come stare su una nave che affonda.

My di laboratorio ha studiato la biologia molecolare di batteriofagi, o in breve fagi, i virus che infettano i batteri, da oltre due decenni. Di recente, io e i miei colleghi aver mostrato che i fagi possono ascoltare i segnali cellulari chiave per aiutarli nel loro processo decisionale. Peggio ancora, possono usare le "orecchie" della cellula per ascoltarli.

Sfuggire al danno del DNA

Se il nemico del tuo nemico è tuo amico, i fagi sono sicuramente tuoi amici. fagi controllare le popolazioni batteriche in natura, e i medici li stanno usando sempre più curare le infezioni batteriche che non rispondono agli antibiotici.

Il fago meglio studiato, lambda, funziona un po' come l'HIV. Entrando nella cellula batterica, lambda decide se replicare e uccidere la cellula a titolo definitivo, come fa la maggior parte dei virus, o integrarsi nel cromosoma della cellula, come fa l'HIV. In quest'ultimo caso, la lambda si replica in modo innocuo con il suo ospite ogni volta che i batteri si dividono.

Questo video mostra un fago lambda che infetta E. coli.

Ma, come l'HIV, lambda non è solo inattiva. Utilizza una speciale proteina chiamata CI come uno stetoscopio per ascoltare i segni di danni al DNA all'interno della cellula batterica. Se il DNA del batterio viene compromesso, questa è una cattiva notizia per il fago lambda annidato al suo interno. Il DNA danneggiato porta direttamente alla discarica dell'evoluzione perché è inutile per il fago che ne ha bisogno per riprodursi. Quindi lambda attiva i suoi geni di replicazione, fa copie di se stesso ed esce dalla cellula per cercare altre cellule non danneggiate da infettare.

Toccando il sistema di comunicazione della cellula

Alcuni fagi, invece di raccogliere informazioni con le proprie proteine, toccano il sensore di danno al DNA della cellula infetta: LexA.

Proteine ​​come CI e LexA lo sono fattori di trascrizione che attivano e disattivano i geni legandosi a specifici modelli genetici all'interno del libro di istruzioni del DNA che è il cromosoma. Alcuni fagi come Coliphage 186 hanno capito che non hanno bisogno della propria proteina CI virale se hanno una breve sequenza di DNA nei loro cromosomi a cui può legarsi il LexA batterico. Dopo aver rilevato il danno al DNA, LexA attiverà i geni replica-e-uccidi del fago, essenzialmente incrociando la cellula per suicidarsi consentendo al fago di scappare.

Gli scienziati hanno segnalato per la prima volta il ruolo dell'IC nel processo decisionale dei fagi negli 1980 e il trucco del controspionaggio di Colifage 186 alla fine degli anni '1990. Da allora, ci sono state alcune altre segnalazioni di fagi che intercettano i sistemi di comunicazione batterica. Un esempio è fago phi29, che sfrutta il fattore di trascrizione del suo ospite per rilevare quando il batterio si prepara a generare una spora, o una specie di uovo batterico in grado di sopravvivere in ambienti estremi. Phi29 indica alla cellula di impacchettare il suo DNA nella spora, uccidendo i batteri in erba una volta che la spora germina.

I fattori di trascrizione attivano e disattivano i geni.

Nei nostri ricerca recentemente pubblicata, i miei colleghi ed io dimostriamo che diversi gruppi di fagi hanno sviluppato in modo indipendente la capacità di attingere a un altro sistema di comunicazione batterica: la proteina CtrA. CtrA integra molteplici segnali interni ed esterni per mettere in moto diversi processi di sviluppo nei batteri. La chiave tra queste è la produzione di appendici batteriche chiamate flagelli e pili. Si scopre che questi fagi si attaccano ai pili e ai flagelli dei batteri per infettarli.

La nostra ipotesi principale è che i fagi utilizzino CtrA per indovinare quando ci saranno abbastanza batteri nelle vicinanze di pili e flagelli sportivi da poterli facilmente infettare. Un trucco piuttosto intelligente per un "assassino senza cervello".

Questi non sono gli unici fagi che prendono decisioni elaborate, il tutto senza nemmeno il vantaggio di avere un cervello. Alcuni fagi che infettano Bacillo i batteri producono una piccola molecola ogni volta che infettano una cellula. I fagi possono percepire questa molecola e usarla contare il numero di infezioni fagiche che si svolgono intorno a loro. Come gli invasori alieni, questo conteggio aiuta a decidere quando dovrebbero attivare i loro geni di replicazione e uccisione, uccidendo solo quando gli ospiti sono relativamente abbondanti. In questo modo, i fagi si assicurano di non rimanere mai a corto di ospiti per infettare e garantire la propria sopravvivenza a lungo termine.

Contrastare il controspionaggio virale

Forse ti starai chiedendo perché dovresti preoccuparti delle operazioni di controspionaggio gestite dai virus batterici. Mentre i batteri sono molto diversi dalle persone, i virus che li infettano lo sono non così diverso dai virus che infettano l'uomo. Abbastanza ogni singolo trucco giocato dai fagi ha successivamente dimostrato di essere utilizzato dai virus umani. Se un fago può intercettare le linee di comunicazione batteriche, perché un virus umano non dovrebbe intercettare le tue?

Finora, i ricercatori non sanno cosa potrebbero essere in ascolto i virus umani se dirottano queste linee, ma vengono in mente molte opzioni. Credo che, come i fagi, i virus umani potrebbero potenzialmente essere in grado di contare il loro numero per definire strategie, rilevare la crescita cellulare e la formazione di tessuti e persino monitorare le risposte immunitarie. Per ora, queste possibilità sono solo speculazioni, ma l'indagine scientifica è in corso.

Avere virus che ascoltano le conversazioni private delle tue cellule non è la più rosea delle immagini, ma non è senza un lato positivo. Come sanno bene le agenzie di intelligence di tutto il mondo, il controspionaggio funziona solo quando è nascosto. Una volta rilevato, il sistema può essere facilmente sfruttato per fornire disinformazione al tuo nemico. Allo stesso modo, credo che le future terapie antivirali potrebbero essere in grado di combinare l'artiglieria convenzionale, come gli antivirali che impediscono la replicazione virale, con l'inganno della guerra dell'informazione, come far credere al virus che la cellula in cui si trova appartenga a un tessuto diverso.

Ma, silenzio, non dirlo a nessuno. I virus potrebbero essere in ascolto!

Circa l'autore

Ivan Erill, Professore Associato di Scienze Biologiche, Università del Maryland, Contea di Baltimora

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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