MIT биоинженерлері бактерияларды вирустардан қорғайтын, құрылымы бұрын белгілі аналогтардан өзгеше гендерді анықтады. Зерттеу барысында 5000-нан астам ықтимал қорғаныс жүйелері табылып, олардың 42-сінің тиімділігі зертханалық сынақтарда дәлелденді. Бұл жасушалық қорғаныс механизмдерінің белгілі тізімін айтарлықтай кеңейтті.

Бактериялардың бейімделуі және жаңа қорғаныс гендерін іздеу

Бактериялар бактериофагтарға қарсы тұру үшін үнемі бейімделіп отырады. Олардың иммундық механизмдері, мысалы, CRISPR-Cas жүйелері мен рестриктазалар, жоғары молекулалық ерекшелікке ие. Бұрын жаңа қорғаныс гендерін іздеу қолмен, негізінен ДНҚ-ның бұрын зерттелген элементтерінің жанындағы «қорғаныс аралдарында» жүргізілетін. Бұл тәсіл жеке гендер мен жүйелерді, әсіресе плазмида сияқты мобильді геном учаскелерінде орналасқан элементтерді анықтауға мүмкіндік бермеді, сондықтан көптеген қорғаныс механизмдері белгісіз болып қала берді.

Машиналық оқыту арқылы іздеуді автоматтандыру

Зерттеу аясында ESM2 ақуыздық тілдік моделіне негізделген DefensePredictor алгоритмі жасалды. Бұл модель аминқышқыл тізбектерін нейрожелілердің мәтін өңдеуіне ұқсас талдайды. Оқыту үшін 17 мың прокариот геномының деректері, оның ішінде 15 мың белгілі қорғаныс ақуыздары мен 186 мың кәдімгі ақуыздар пайдаланылды, бұл алгоритмге жасырын құрылымдық заңдылықтарды анықтауға мүмкіндік берді.

Ақуыз құрылымынан бөлек, бағдарлама ген ұзындығы, көрші гендерге дейінгі қашықтық және нуклеотидтер арақатынасы сияқты 119 геномдық параметрді ескерді. Оқыған нейрожелі Escherichia coli-дің 69 штаммының деректеріне қолданылып, нәтижесінде жүздеген ықтимал иммундық ақуыздар анықталды.

Зертханалық тексеру және жаңа жаңалықтар

Болжамдардың дәлдігін тексеру үшін бұрын белгілі қорғаныс механизмдеріне ұқсамайтын 94 жүйе таңдалды. Бұл гендер синтезделіп, осал ішек таяқшасы штаммына енгізіліп, 24 түрлі вирусқа ұшыратылды. Зертханалық сынақтарда 94 жүйенің 42-сі (45%) бактерияларды фагтардан сәтті қорғады. Бұрын иммунитетпен байланысы болмаған 15 ақуыздық домен, мысалы, металлфосфатазалар мен HAD-типті фосфатазалар анықталды. Жаңа қорғаныс гендерінің шамамен жартысы классикалық «қорғаныс аралдарынан» тыс, көбіне плазмида сияқты мобильді генетикалық элементтерде орналасқан.

Эволюциялық байланыстар және қорғаныс жүйелерінің әртүрлілігі

Анықталған жүйелердің бірі (DS-8) адамдағы SMPDL3A ақуызымен ұқсас фрагментке ие, ол адамдарда туа біткен иммундық жауапқа қатысады. Бұл бактериялар мен адам қорғаныс механизмдері арасында терең эволюциялық байланыстар бар екенін көрсетеді. Тағы бір жүйе «токсин-антитоксин» принципін жүзеге асырады: вирус жасушаға енгенде, тез өзін-өзі жою механизмі іске қосылып, фагтың көбеюіне жол бермей, қалған колонияны қорғайды.

Алгоритмді ауқымды қолдану

Модельді басқа микроорганизмдердің мыңдаған кездейсоқ геномдарына қолдану арқылы 5200-ден астам жаңа ықтимал қорғаныс жүйелері анықталды, олардың 3000-нан астамының құрылымы бұрын белгілі ақуыздармен сәйкес келмейді.

Зерттеудің маңызы

Нәтижелер бактериялардың вирустардан қорғанудың кең әрі құрылымдық жағынан әртүрлі арсеналы бар екенін көрсетті. Табылған жүйелерді әрі қарай зерттеу иммунитет эволюциясын прокариоттардан жоғары жануарларға дейін тереңірек түсінуге және вирустар мен микроорганизмдер арасындағы күрестің динамикасын бақылауға мүмкіндік береді.