เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ด้านชีวการแพทย์ได้เพิ่มความสนใจในไวรัสที่เรียกว่า bacteriophages หรือ phages ซึ่งสามารถแพร่เชื้อและฆ่าแบคทีเรียที่เป็นอันตรายได้ ปัจจุบัน Phages ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีมากที่สุดในโลก ได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องมือที่มีแนวโน้มดีในการต่อสู้กับการติดเชื้อแบคทีเรีย เนื่องจากวิทยาศาสตร์กำลังแสวงหาวิธีบำบัดใหม่ๆ สำหรับคลื่นการดื้อยาปฏิชีวนะที่เพิ่มสูงขึ้น นักวิทยาศาสตร์ต้องการไขความลับของกลยุทธ์วิวัฒนาการของฟาจในการต่อสู้กับแบคทีเรียอย่างต่อเนื่อง
กลุ่มนักวิจัยที่มีความเชี่ยวชาญพิเศษหลากหลายในวิทยาเขตของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้ใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ เพื่อนำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างและกระบวนการทางชีววิทยาของ phage ที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน ตีพิมพ์ในวารสาร Nature พวก เขานำเสนอรูปลักษณ์ที่ไม่เคยปรากฏมาก่อนในครอบครัวที่ไม่ได้รับการศึกษาซึ่งรู้จักกันในชื่อ “jumbo phages” และการป้องกันแบคทีเรียที่พัฒนาขึ้นอย่างน่าทึ่ง
ท่ามกลางการค้นพบของพวกเขา นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองของ Elizabeth Villa, Kevin Corbett และ Joe Pogliano พบว่าเซลล์ฟาจจัมโบ้สร้างช่องป้องกันที่ทำหน้าที่คล้ายกับนิวเคลียสในเซลล์ของมนุษย์และสัตว์ และปกป้องสารพันธุกรรมหลักของไวรัส ซึ่งจำเป็นสำหรับ ทำซ้ำและแพร่กระจาย ทีมวิจัยได้ระบุโครงสร้างของช่องคล้ายนิวเคลียสเป็นครั้งแรกโดยใช้เทคโนโลยีชั้นนำ ซึ่งรวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและเอกซเรย์ด้วยความละเอียดสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับการถ่ายภาพเซลล์
“มันเป็นช่องที่แตกต่างกัน—ไม่เหมือนกับสิ่งที่เราเคยเห็นในธรรมชาติ” Villa, รองศาสตราจารย์ใน UC San Diego School of Biological Sciences และ Howard Hughes Medical Institute Investigator กล่าว “เราสามารถอธิบายลักษณะเฉพาะของส่วนนี้ – ว่ามันประกอบและทำงานอย่างไรในระดับพื้นฐานที่สุด – จากแต่ละอะตอมไปจนถึงขนาดของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด”
ศาสตราจารย์ Rommie Amaro ภาควิชาเคมีและชีวเคมีและเพื่อนร่วมงานของเธอจึงใช้เทคนิคการคำนวณที่ทันสมัยเพื่อจำลองหน้าที่ของโครงสร้างฟาจและความยืดหยุ่นที่โดดเด่น นักวิจัยพบว่าช่องดังกล่าวช่วยให้ส่วนประกอบสำคัญบางอย่างอยู่ภายใน ขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่เป็นกลไกในการป้องกันภัยคุกคามจากแบคทีเรีย
“การค้นพบเหล่านี้ทำให้เราเห็นยุคใหม่ของชีววิทยาฟาจ” วิลลากล่าว “เปลือกทำหน้าที่เป็นเกราะกำบังที่กำลังเติบโตสำหรับการป้องกัน แต่มันก็ต้องนำเข้าและส่งออกบางสิ่งด้วย และมันทำได้ด้วยความแม่นยำและการเลือกสรรที่ยอดเยี่ยม เป็นชีววิทยาที่แปลกจริงๆ”
นักวิจัยค้นพบว่าเปลือกคล้ายนิวเคลียสของฟาจประกอบขึ้นจากโปรตีนตัวเดียว เมื่อพิจารณาถึงบทบาทในการป้องกันฟาจ พวกเขาตั้งชื่อโปรตีน chimallin ตามโล่ที่นักรบแอซเท็กโบราณถือไว้
ผู้เขียนร่วมด้านการศึกษา Joe Pogliano ศาสตราจารย์ในภาควิชาอณูชีววิทยาได้ศึกษา phages เหล่านี้มานานกว่า 10 ปี เขาเชื่อว่าฟาจที่สร้างนิวเคลียสน่าจะดีกว่าสำหรับการบำบัดฟาจที่ต้านการติดเชื้อแบคทีเรีย เพราะพวกมันวิวัฒนาการมาเพื่อให้ต้านทานระบบป้องกันแบคทีเรียหลายประเภทโดยธรรมชาติ
“เมื่อเราก้าวไปสู่การพัฒนาการบำบัดด้วยฟาจ เราจำเป็นต้องเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับนิวเคลียสฟาจที่ค้นพบใหม่นี้ เนื่องจากดูเหมือนว่าจะช่วยโจมตีแบคทีเรียได้ดีขึ้น” ปอลลิอาโนกล่าว นักวิจัย รวมทั้ง Pogliano และ Villa จะร่วมมือกับผู้เชี่ยวชาญใน Center for Innovative Phage Applications and Therapeutics ของ UC San Diego ซึ่งเป็นศูนย์บำบัดด้วย phage โดยเฉพาะแห่งแรกในอเมริกาเหนือ “ตอนนี้เราทราบแล้วว่าฟาจบางตัวมีเกราะป้องกัน เราสามารถมอบมันให้กับฟาจอื่นๆ และสร้าง ‘ซูเปอร์ฟาจ’ ที่ดีกว่าในการบำบัดฟาจและเอาชนะการป้องกันแบคทีเรีย ขั้นตอนแรกในกระบวนการนั้นคือการทำความเข้าใจโครงสร้างของโปรตีน chimallin ซึ่งประกอบเป็นเกราะ ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่งานนี้มีความสำคัญมาก”
ศาสตราจารย์เควิน คอร์เบตต์ สมาชิกภาควิชาเวชศาสตร์เซลล์และโมเลกุล ได้เพิ่มความเชี่ยวชาญด้านชีวเคมีและชีววิทยาโครงสร้างให้กับทีมวิจัย เขาอธิบายการค้นพบนี้ว่าเป็นตัวอย่างของวิวัฒนาการมาบรรจบกัน ซึ่งสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกันที่อยู่ห่างไกลจะหาวิธีที่คล้ายกันในการแก้ปัญหา
“รูพรุนของนิวเคลียสในยูคาริโอตเป็นโครงสร้างขนาดมหึมาและซับซ้อน โดยมีวิธีการที่โดดเด่นมากในการกันโปรตีนส่วนใหญ่ออกไป แต่นำเข้าชนิดอื่นโดยเฉพาะ สิ่งที่เราอาจจะมองด้วยจัมโบ้ฟาจเป็นวิธีที่ง่ายกว่ามากในการแก้ปัญหาเดียวกัน” คอร์เบตต์กล่าว “มันเป็นวิธีแก้ปัญหาที่สร้างสรรค์อย่างน่าอัศจรรย์—คล้ายกันแต่ง่ายกว่า—ในการปกป้องจีโนมของมันจากโลกภายนอกด้วยการสร้างกำแพงเพื่อแยกจีโนมออกจากการป้องกันแบคทีเรีย”
ผู้เขียนร่วมคนแรก โธมัส ลาฟลิน นักวิชาการดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เป็นผู้นำการสร้างภาพช่องฟาจขนาดจัมโบ้ การใช้สิ่งอำนวยความสะดวกและทรัพยากรทางเทคโนโลยีเฉพาะของ UC San Diego และในการประสานงานกับผู้เขียนร่วมคนแรกคือ Amar Deep และสมาชิกห้องทดลองคนอื่นๆ ที่ทำงานร่วมกัน พวกเขาช่วยกำหนดลักษณะส่วนต่างๆ ของช่องตั้งแต่ระดับไมครอนไปจนถึงอะตอมเพื่อช่วยถอดรหัสการทำงาน
ลาฟลินกล่าวว่าเขารู้สึกประหลาดใจมากที่สุดเมื่อพบว่าช่องดังกล่าวประกอบขึ้นด้วยโปรตีน chimallin หลายชุดที่จัดเรียงเป็นโครงตาข่ายสี่เหลี่ยมหรือโครงแบบแหอวน เนื่องจากโครงร่างรังผึ้ง (หกเหลี่ยม) นั้นพบเห็นได้ทั่วไปในธรรมชาติ ลาฟลินและสมาชิกคนอื่นๆ ในทีมไม่ได้คาดหวังถึงโครงสร้างที่เรียบง่ายเช่นนี้ซึ่งอยู่ภายใต้โครงสร้างของส่วน
ลาฟลินและนักวิจัยคนอื่นๆ กล่าวว่าการค้นพบของพวกเขาเกี่ยวกับจัมโบ้ฟาจและส่วนต่างๆ ของฟาจนำไปสู่คำถามอีกมากมาย รวมถึงวิธีการประมวลผลส่วนประกอบบางอย่างภายในและภายนอกเปลือก
“ตอนนี้เราทราบโครงสร้างหลักของส่วนต่างๆ ของนิวเคลียสฟาจที่โตเต็มที่แล้ว แต่เราอยากรู้ว่ามันประกอบกันอย่างไรตั้งแต่แรก” ลาฟลินกล่าว “การกำเนิดทางชีวภาพ (หรือ “พรีเควล”) ในระยะแรกของการติดเชื้อคืออะไร? ทุกอย่างเริ่มต้นอย่างไรเมื่อไวรัสฉีดจีโนมเข้าไปในแบคทีเรียที่เป็นโฮสต์”
รายชื่อผู้เขียนบทความทั้งหมดของ The Nature: Thomas Laughlin, Amar Deep, Amy Prichard (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา), Christian Seitz (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา), Yajie Gu, Eray Enustun (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา), Sergey Suslov, Kanika Khanna (ผู้รับปริญญาเอกล่าสุด), Erica Birkholz (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา), Emily Armbruster (นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา), J. Andrew McCammon, Rommie Amaro, Joe Pogliano, Kevin Corbett และ Elizabeth Villa
การสนับสนุนสำหรับการวิจัยนี้จัดทำโดยศูนย์ cryo-EM ที่ UC San Diego สถาบันสุขภาพแห่งชาติ (ทุน R01GM129245, R35 GM144121 และ R01GM031749); มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (มอบ CHE060073 และ DBI 1920374) ลาฟลินเป็นผู้ได้รับรางวัลมูลนิธิไซมอนส์จากมูลนิธิวิจัยวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต Seitz ได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-650112) วิลล่าเป็นผู้ตรวจสอบสถาบันการแพทย์ Howard Hughes
