Hur bakterier drar i nödbromsen för att stoppa sin tillväxt

När bakterier stressas, exempelvis under en antibiotikabehandling eller näringsbrist, bromsar de sin tillväxt med hjälp av små signalmolekyler som kallas Alarmoner. Forskargrupperna ledda av Gemma C. Atkinson och Vasili Hauryliuk vid Umeå universitet och forskningscentret Umeå Center for Microbiological Research, UCMR, har under många år studerat proteiner som bildar eller bryter ner alarmoner.

I tidigare studier upptäckte forskarna att bakterier innehåller gener som kodar för små alarmonsyntetaser, SAS. Det har hittills varit oklart varför bakterier bär dessa proteiner då de också har standardenzymer för alarmon-syntes och -nedbrytning. Nu har Gemma C. Atkinson, Vasili Hauryliuk och deras kollegor hittat en förklaring. De har funnit att några SAS är komponenter av toxin-antitoxin- system.

Toxin-antitoxin gener är gåtfulla komponenter i mikrobiella genom. Även om toxinerna kan fungera på olika sätt leder de alla till en tvärbromsning av tillväxt och reproduktion. Denna effekt motverkas av antitoxiner som kodas av angränsande gener. Antitoxiner kan också fungera på olika sätt. Antingen vidhäftar de direkt till ett toxin för att blockera dess verkan eller så motverkar de toxinets effekt på ett indirekt sätt.

– Det är nästan paradoxalt, men förmågan av ett alarmon att nedreglera tillväxt för fortsatt överlevnad är också det som ger den toxiska potentialen. Vi har upptäckt att toxiska SAS, toxSAS, producerar ett alarmon kallat ppApp vilket tvärbromsar tillväxten på ett så dramatiskt sätt att det är giftigt. Den starka inbromsningen kan återställas av antitoxiner, förklarar Gemma Atkinson.

Liksom det tidigare i Umeå utforskade CRISPR-Cas9 systemet kan ToxSAS vara en försvarsmekanism med vilken bakterier försvarar sig mot virusattacker. Från tidigare studier var det känt att ett protein - nu känt för att vara ett toxSAS - kodat i virus-DNA som gömmer sig i ett bakteriegenom kunde skydda mot infektion med ett andra virus. Umeå-teamet har nu upptäckt att många virus som infekterar bakterier bär på toxSAS och - ännu oftare - små alarmonhydrolaser, vilket bryter ner alarmoner och skulle göra det möjligt för dem att kringgå en toxSAS-baserad försvarsmekanism.

Gemma Atkinson och hennes kollegor upptäckte ToxSAS toxin-antitoxingener med ett egenutvecklat bioinformatikverktyg som kallas FlaGs. FlaGs står för flankerande gener och analyserar hur till varandra angränsande gener förändras eller bevaras under evolutionen. Det kan appliceras för att upptäcka funktionella associationer av ett protein, inte bara för toxin-antitoxinsystem. Bioinformatikverktyget finns tillgängligt på https://github.com/GCA-VH-lab/FlaGs, och en webbserver på http://www.webflags.se/.

Många tekniker som används i genetiska och molekylärbiologiska laboratorier har utvecklats från upptäckter av smarta mekanismer i bakteriers verktygslåda. CRISPR-Cas9-systemet, det enkla och exakta verktyget som nu används för genmodifiering, är baserat på en mekanism som bakterier använder för att försvara sig mot virusattacker.

– Vem vet, den nyupptäckta toxin-antitoxinregleringen av alarmoner kan en dag vara ytterligare ett verktyg för terapeutisk eller bioteknologisk reglering av bakterietillväxt, kommenterade Atkinson de nya resultaten.

Studien av proteinerna och deras experimentella validering publiceras i den vetenskapliga tidskriften PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 28th of April 2020, https://www.pnas.org/content/early/2020/04/27/1916617117 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1916617117