Mikroorganismy využívají pro přenos své genetické informace mezi sebou navzájem různé mechanismy. Bakterie v oceánech mají jeden z nejefektivnějších způsobů, umí vytvářet částice podobné virům, které dokáží části jejich DNA dostat do jiných bakterií. Nazývají se gene transfer agents (GTA) a virologové z Masarykovy univerzity jako první popsali jejich strukturu. Podařilo se jim také zjistit, že GTA jsou vlastně bakteriofágy, tedy zabijácké viry napadající bakterie, které si ale bakterie „ochočily“ a začaly je využívat pro vlastní účely.
Viry včetně bakteriofágů přenášejí mezi buňkami svou vlastní genetickou informaci a využívají prostředí infikovaných buněk pro množení sama sebe. Naopak GTA přenáší části genomu bakterie do jiné bakterie, která ji může využít pro změny ve vlastní genetické informaci, a stát se tak odolnější vůči stresu.
„Mechanismus tohoto přenosu DNA se aktivuje jen za specifických podmínek. Pokud se kolonie bakterií dostane do stresu například kvůli nedostatku živin a navíc je její populace hodně početná, tak asi jedno procento z nich zahájí produkci GTA. Aby ale mohly tyto částice splnit svůj úkol a dostat DNA od jedné bakterie k jiné, musí ta, která je vyrábí, zahynout,“ přiblížil fungování takzvaného horizontálního přenosu genů vedoucí výzkumného týmu Pavel Plevka z výzkumného institutu CEITEC MU. Předtím, než buňka zahyne, se její DNA rozpadne na velké množství menších částí. Tyto kousky zabalí GTA do svých hlaviček a takto je může přenést do jiné bakterie.
Do výzkumu GTA u mořských bakterií Rhodobacter capsulatus se pustil doktorand Pavol Bárdy z Ústavu experimentální biologie Přírodovědecké fakulty MU. Protože tento mechanismus může pro bakterie teoreticky znamenat velké riziko, zajímalo ho mimo jiné, jaký je vlastně původ GTA. Protože GTA mají vlastnosti podobné fágům, mohlo by se stát, že by místo genetické informace bakterie začaly přenášet jen svou vlastní a staly by se tak opět infekčními bakteriofágy, které bakterie hubí. „Struktura GTA nám tak mohla napovědět, zda v dávné minulosti byly GTA předchůdci fágů nebo zda jsou naopak zkrocenými fágy, které si bakterie uzpůsobily pro vzájemnou výměnu své vlastní DNA,“ uvedl Bárdy s tím, že získané informace mluví ve prospěch teorie „ochočených“ fágů - tedy zabijáků, ze kterých se stali takoví pošťáci.
Bakterie mají celou řadu ochranných mechanismů, které znemožňují, aby se z GTA stal opět fág. „Našli jsme minimálně čtyři takové způsoby ochrany. GTA mají na rozdíl od fágů menší hlavičku, do níž mohou zabalit pouze čtyři geny. Přitom, k vytvoření částice GTA je potřeba genů osmnáct,“ popsal jeden ze způsobů ochrany Bárdy.
Bakterie rovněž brání GTA v nežádoucí přeměně tak, že geny potřebné pro vytvoření částice GTA jsou v genetické informaci bakterie zapsané na několika od sebe vzdálených místech. „GTA totiž přenáší náhodné kousky genomu bakterie, takže pravděpodobnost, že by zrovna zabalil jen ty části, které jsou potřeba pro jeho vlastní produkci, je takto mnohem nižší,“ vysvětlil Bárdy.
Aby byl přenos genů mezi bakteriemi navzájem úspěšný, je k tomu potřeba ještě jeden krok. Druhá bakterie musí přenášenou DNA aktivně přijmout. „Bakterie, které jsme studovali, jsou obalené dvěma membránami. GTA proniká jen tou vnější a doručí tedy DNA do mezi-membránového prostoru, odkud si ji už musí buňka sama přenést do cytoplazmy a tam zaintegrovat do svého genomu. Fágy jsou agresivnější a pronikají přes obě membrány a dostanou svou genetickou informaci přímo do bakterie,“ přiblížil další podrobnosti procesu Plevka.
Podle vědců tak všechno nasvědčuje tomu, že bakterie v minulosti využily fágy a postupem času si vyvinuly mechanismy, které bránily jejich přeměně zpět v infekční virovou částici.
„V GTA jsme tak vlastně našli jakousi virovou fosilii, díky níž můžeme vidět, jak mohli vypadat předchůdci dnešních bakteriofágů. Například jsme zjistili, že gen, který u GTA určuje délku bičíku umožňujícího navázání částice na buňku, je evolučním předchůdcem těch dnešních. Má totiž znaky z dnes odlišných skupin fágů, které se liší právě délkou bičíku,“ uvedl Bárdy a dodal, že se jim díky výzkumu struktury GTA podařilo objevit také protein, který stabilizuje propojení hlavičky a bičíku GTA částice. To zvyšuje stabilitu GTA v mořském prostředí.
Výzkum GTA části je v počátcích, ale popis jejich struktury je důležitým krokem pro výzkum jejich možného využití. Například by se daly cíleně přenášet konkrétní geny potřebné pro úpravu vlastností bakterií využívaných v různých biotechnologiích.
