מחקרים מתקדמים מגלים שפאג'ים, כאשר הם מדביקים חיידקים ברמה התאית, יכולים לחסום את כניסתו של זה, מה שמדגיש את הדינמיקה המורכבת של זיהום חיידקי ואת ההשפעה הפוטנציאלית על מחקר ביוטכנולוגיה.
מחקר עדכני על פאג'ים – וירוסים מדביקים חיידקים – מגלה שמספר הפאג'ים והאינטראקציות שלהם במהלך ההדבקה משפיעים על כניסתם לתאי המארחים, בהשפעת האלקטרופיזיולוגיה של התא. תגלית זו פותחת אפיקים חדשים להבנת התנהגות הפאג'ים והשלכותיה על הביוטכנולוגיה.
חוקרים חקרו את התהליך שבו פאג'ים – וירוסים שמדביקים ומשתכפלים בתוך חיידקים – חודרים לתאים במשך למעלה מ-50 שנה. במחקר חדש, מדענים מאוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין ואוניברסיטת טקסס A&M השתמשו בטכניקות מתקדמות כדי לבחון תהליך זה ברמת תא בודד.
"תחום ביולוגיית הפאג' ראה פיצוץ בעשור האחרון מכיוון שיותר חוקרים מבינים את משמעות הפאג'ים באקולוגיה, אבולוציה וביוטכנולוגיה", אמר עידו גולדינג (CAIM/IGOH), פרופסור לפיזיקה. "עבודה זו ייחודית מכיוון שבדקנו זיהום בפאג' ברמה של תאי חיידקים בודדים."
הבנת זיהום פאג'ים
תהליך הדבקה בפאג' כרוך בהתקשרות של נגיף אל פני השטח של חיידק. בעקבות זאת, הנגיף מחדיר את החומר הגנטי שלו לתא. לאחר הכניסה, הפאג יכול לאלץ את התא לייצר יותר פאגים ובסופו של דבר להתפוצץ, תהליך הנקרא תמוגת תאים, או שהפאג יכול לשלב את הגנום שלו בחיידק ולהישאר רדום, תהליך הנקרא ליזוגניה. התוצאה תלויה בכמה פאגים מדביקים את התא בו זמנית. פאג בודד גורם לליזיס, בעוד זיהום על ידי פאג'ים מרובים מביא לליזוגניה.
המחבר הראשון Thu Vu Phuc Nguyen, משמאל, ועידו גולדינג חקרו כיצד הפאג'ים המדביקים יכולים לעכב את כניסתו של זה לתא. קרדיט: פרד זוויקי
במחקר הנוכחי ביקשו החוקרים לשאול האם מספר הפאג'ים המדביקים הנקשרים למשטח החיידקים מתאים לכמות החומר הגנטי הנגיפי המוזרק לתא. לשם כך, הם סימנו באופן ניאון גם את מעטפת החלבון של הפאג'ים וגם את החומר הגנטי שבתוכו. לאחר מכן הם גדלו Escherichia coliהשתמשו בריכוזים שונים של פאג'ים מדביקים, ועקבו אחרי כמה מהם הצליחו להזריק את החומר הגנטי שלהם לתוך E. coli.
"אנחנו יודעים מאז שנות ה-70 שכאשר פאג'ים מרובים מדביקים את אותו תא, זה משפיע על תוצאות הזיהום. במאמר זה, הצלחנו לבצע מדידות מדויקות שלא כמו כל מחקר שנעשה עד כה", אמר גולדינג.
אתגרים בכניסה לפאג'
החוקרים הופתעו לגלות שכניסת החומר הגנטי של הפאג' עלולה להיות מעוכבת על ידי הפאג'ים האחרים המדביקים אותו. הם גילו שכאשר היו יותר פאגים מחוברים לפני השטח של התא, פחות מהם יחסית הצליחו להיכנס.
"הנתונים שלנו מראים שהשלב הראשון של ההדבקה, כניסת הפאג'ים, הוא צעד חשוב שבעבר לא הוערך מספיק", אמר גולדינג. "מצאנו שהפאג'ים המדביקים מונעים זה את כניסתו של זה על ידי הפרעה באלקטרופיזיולוגיה של התא."
השכבה החיצונית ביותר של חיידקים מתמודדת כל הזמן עם תנועת אלקטרונים ויונים שהם חיוניים לייצור אנרגיה והעברת אותות פנימה ומחוץ לתא. במהלך העשור האחרון, חוקרים החלו להבין את חשיבותה של האלקטרופיזיולוגיה הזו בתופעות חיידקיות אחרות, כולל עמידות לאנטיביוטיקה. מאמר זה פותח שדרה חדשה למחקר באלקטרופיזיולוגיה של חיידקים – תפקידו בביולוגיה של הפאג'.
"על ידי השפעה על כמה פאג'ים נכנסים בפועל, ההפרעות הללו משפיעות על הבחירה בין תמוגה לליזוגניה. המחקר שלנו גם מראה שהכניסה יכולה להיות מושפעת מתנאי סביבה כמו ריכוז של יונים שונים", אמר גולדינג.
הצוות מעוניין לשפר את הטכניקות שלהם כדי להבין טוב יותר את היסודות המולקולריים של כניסת הפאג'.
"למרות שהרזולוציה של הטכניקות שלנו הייתה טובה, מה שהתרחש ברמה המולקולרית עדיין היה כמעט בלתי נראה לנו", אמר גולדינג. "אנחנו בוחנים את השימוש במערכת Minflux במכון Carl R. Woese לביולוגיה גנומית. התוכנית היא לבחון את אותו תהליך אך ליישם שיטה ניסיונית טובה יותר. אנחנו מקווים שזה יעזור לנו למצוא ביולוגיה חדשה".
העבודה נתמכה על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאותהקרן הלאומית למדע, וקרן אלפרד פ. סלואן.
