همزیستی جمعیت‌های متنوع ویروس‌ها در باکتری‌های روده!

پتانسیل فاج‌ها در درمان عفونت‌های باکتریایی

ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده کرده و از بین می‌برند، به نام فاج‌ها، به عنوان یک نوع درمان جدید برای عفونت‌های خطرناک، به‌ویژه سویه‌هایی که به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم شده‌اند، امیدوارکننده هستند. با این حال، ویروس‌شناسان اطلاعات محدودی درباره چگونگی بقای فاج‌ها در جمعیت‌های باکتریایی که آلوده می‌کنند، دارند و این امر توسعه درمان‌های فاجی را با چالش مواجه کرده است.

مطالعه‌ای که در تاریخ ۱۳ دسامبر در نشریه Science منتشر شد، اولین شواهد را ارائه می‌دهد که یک گونه باکتریایی خاص، میزبان فاج، می‌تواند یک جامعه متنوع از گونه‌های فاج رقیب را حفظ کند. این تحقیق که به رهبری محققان دانشگاه NYU گروسمن، دانشگاه آکسفورد و دانشگاه ییل انجام شده، نشان داد که چندین گونه فاج به طور پایدار در جمعیتی از یک سویه ژنتیکی یکنواخت از باکتری E. coli که در روده انسان مستقر می‌شود و شامل نسخه‌های بیماری‌زا است، همزیستی دارند.

محققان دریافتند که با وجود رقابت بین ویروس‌ها، گونه‌های مختلف فاج به سلول‌های باکتریایی که به طور تصادفی در جمعیت ظاهر می‌شوند، تمایل دارند که با سرعت‌های مختلف رشد کنند. به این ترتیب، هر گونه فاج توانسته است یک نیش جداگانه در همان میزبان پیدا کند که منجر به همزیستی پایدار شده است. به عنوان مثال، کمبود دسترسی محلی به مواد مغذی (گرسنگی) ممکن است رشد برخی سلول‌ها را کند کند تا منابع کمیاب حفظ شوند.

در این مطالعه، دو گونه فاج، با برچسب‌های N و S، به دلیل اینکه فاج N در سلول‌های باکتریایی با رشد سریع‌تر بهتر زنده می‌ماند و فاج S در سلول‌های باکتریایی با رشد کندتر بهتر عمل می‌کرد، همزیستی داشتند. طراحان درمان‌های فاجی امیدوارند که از بروز مشکلی که در درمان با آنتی‌بیوتیک‌ها وجود دارد، جلوگیری کنند؛ جایی که یک دارو باکتری‌ها را از بین می‌برد اما بخشی از باکتری‌ها که به طور تصادفی مقاوم‌ترین هستند، زنده می‌مانند. این بازماندگان نگرانی عمده‌ای هستند زیرا به درمان‌های موجود مقاوم شده‌اند.

نورا پاینسون، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر فوق دکتری در آزمایشگاه یوناس شلوتر، گفت: “دانستن اینکه چگونه بیش از یک نوع فاج می‌تواند در طول زمان بر روی یک باکتری زنده بماند، می‌تواند در طراحی کوکتل‌های فاج نسل بعدی کمک کند.” او افزود: “به عنوان مثال، هر گونه فاج ممکن است در بخش‌های مختلف چرخه زندگی باکتری به آن حمله کند و این امکان را فراهم کند که کل جمعیت قبل از اینکه مقاومت در برابر درمان ایجاد شود، از بین برود.”

دکتر پاینسون ادامه داد: “هیچ درمان فاجی هنوز به عنوان درمان استاندارد برای عفونت‌های باکتریایی شناخته نشده است؛ یا به این دلیل که در تلاش‌های قبلی یک فاج، نتوانسته تمام باکتری‌های هدف را از بین ببرد، یا به این دلیل که باکتری‌ها به مقاومت تکامل یافته‌اند، مشابه تکامل مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌ها.”

آزمایشگاه‌ها در حال حاضر درمان‌های فاجی را به عنوان جایگزینی برای آنتی‌بیوتیک‌ها آزمایش می‌کنند. پل ترنر، یکی از نویسندگان این مقاله و محقق در دانشگاه ییل، به عنوان مثال، رهبری یک آزمایش بالینی را بر عهده دارد که از فاج‌ها علیه گونه Pseudomonas aeruginosa استفاده می‌کند، که می‌تواند به التهاب شدید در ریه‌های بیماران مبتلا به فیبروز کیستیک کمک کند. آزمایشگاه دکتر شلوتر در حال مطالعه نقش فاج‌ها در اکوسیستم روده انسان‌ها و موش‌ها است که می‌تواند شکل‌دهنده درمان‌های آینده برای عفونت‌هایی مانند سالمنلا باشد.

تأثیر درمان‌های باکتری‌فروشی و طراحی درمان‌های جهانی

یکی از اهداف اصلی، پیش‌بینی تأثیر تجویز باکتری‌فروشی و طراحی درمان‌های باکتری‌فروشی است که برخلاف نسخه‌های کنونی که باید برای هر بیمار به‌طور خاص تنظیم شوند، به‌طور جهانی برای بسیاری از بیماران کار کند.

اهمیت اکولوژی باکتری‌فروشی

درک تنوع گونه‌ها یک سؤال اساسی در اکولوژی و زیست‌شناسی تکاملی است. یکی از عوامل اصلی که موجب تنوع می‌شود، از پرندگان و گیاهان تا باکتری‌ها، این است که گونه‌ها راه‌هایی برای همزیستی پیدا می‌کنند، در حالی که هنوز برای منابع رقابت می‌کنند. با این حال، ویروس‌ها به‌طور سنتی در این زمینه “اجتماعی” در نظر گرفته نمی‌شدند. تیم تحقیقاتی کنونی به‌طور تجربی فرضیه‌ای را که مدت‌ها مورد قبول بود، آزمایش کرد که تنوع ژنتیکی باکتری‌ها، تنوع گونه‌های ویروسی را محدود می‌کند. این امر منجر به انتظاری شده بود که یک نوع باکتری‌فروشی بر سایرین غلبه خواهد کرد و تنها بازمانده خواهد بود.

اما درست همان‌طور که موجودات چندسلولی میزبان مجموعه‌ای گسترده از گونه‌های باکتریایی در میکروبیوم خود هستند، نتایج جدید نشان می‌دهد که یک سویه باکتریایی می‌تواند خود میزبان یک جامعه متنوع از گونه‌های باکتری‌فروشی باشد. دکتر پی‌نسون می‌افزاید: “مطالعه ما به زمینه در حال رشد مطالعه زندگی اجتماعی ویروس‌ها کمک می‌کند. ما اغلب ویروس‌ها را صرفاً از نظر تأثیر آن‌ها بر میزبان در نظر می‌گیریم، اما آن‌ها همچنین در زمینه سایر گونه‌های ویروسی وجود دارند. این جوامع باکتری‌فروشی نشان می‌دهند که چگونه تنوع حتی در ساده‌ترین اجزای زیست‌شناسی به وجود می‌آید.”

جالب است که وجود یک جمعیت متنوع از باکتری‌ها در روده انسان نشانه‌ای از سلامت است، زیرا مجموعه متنوعی از گونه‌ها (میکروبیوم) بهتر می‌تواند در برابر تلاش‌های تسلط هر گونه مهاجم و بیماری‌زا مقاومت کند. به همین ترتیب، جمعیت ویروس‌هایی که باکتری‌های ساکن روده را اشغال می‌کنند، نیز به‌عنوان یک تنظیم‌کننده مهم سلامت در حال ظهور است و ترکیب‌های غیرطبیعی باکتری‌فروشی‌ها به شرایطی مانند سپسیس کمک می‌کند.

دکتر شلوتر، استاد دپارتمان میکروبیولوژی در NYU Langone، گفت: “این کار نمایانگر یک تغییر در درک ما از اکولوژی باکتری‌فروشی است. به لطف کار نورا، که این تحقیق را در طول یک پاندمی و در چهار آزمایشگاه انجام داد، اکنون می‌توانیم شروع به درک تکامل باکتری‌فروشی‌ها کنیم زمانی که آن‌ها در جامعه‌ای با گونه‌های ویروسی متنوع قرار دارند و چگونه این موضوع نقش آن‌ها را در سلامت و بیماری شکل می‌دهد.”

به همراه دکترهای پی‌نسون و شلوتر در NYU Langone و دکتر ترنر در ییل، نویسندگان مطالعه شامل آشر لیکس و اودرا نویکه از دپارتمان اکولوژی و زیست‌شناسی تکاملی دانشگاه ییل؛ جاشوا گلدفورد از بخش علوم زمین‌شناسی و سیارات در مؤسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا؛ کوین فاستر از دپارتمان زیست‌شناسی دانشگاه آکسفورد؛ و آلوارو سانچز از مؤسسه زیست‌شناسی کاربردی و ژنومیک، CSIC و دانشگاه سالامانکا در اسپانیا بودند. دکترهای فاستر و سانچز به‌عنوان نویسندگان همکار در کنار دکتر پی‌نسون حضور داشتند.

تأمین مالی بخشی از این کار از طریق بنیاد تحقیقات علوم زیستی و بنیاد سیمونز به دکتر پی‌نسون و از طریق جایزه نوآور جدید به دکتر شلوتر (DP2AI164318) از سوی موسسه ملی بیماری‌های خودایمنی و عفونی، بخشی از موسسات ملی بهداشت، انجام شد.