Бактерии постоянно развивают защиту против бактериофагов (вирусов). Их иммунные системы, известные как CRISPR-Cas или рестрикционные ферменты, отличаются высокой молекулярной точностью. Раньше поиск новых защитных генов велся вручную, ученые изучали ДНК только около известных элементов в ""островках защиты"". Это ограничивало поиск: одиночные гены и системы на мобильных элементах генома (плазмидах) оставались незамеченными. Так многообещающие защитные механизмы были скрыты.
Машинный ум DefensePredictor находит новое
Исследователи революционизировали поиск, применив автоматизацию. Они создали модель машинного обучения DefensePredictor. Ее основой стала белковая языковая модель ESM2. Она анализирует последовательности аминокислот подобно тому, как нейросети понимают текст. Алгоритм обучали на 17 тысячах прокариотических геномов: 15 тысяч известных защитных белков и 186 тысяч обычных белков помогли ему идентифицировать невидимые закономерности структуры.
Проверка на кишечной палочке: сотни открытий
Помимо структуры белка, система анализировала 119 геномных параметров: длину гена, расстояние между генами, соотношение нуклеотидов. Затем модель испытали на данных 69 штаммов кишечной палочки (Escherichia coli). Алгоритм обнаружил сотни белков-кандидатов для иммунитета!
Лаборатория подтверждает: 45% успеха!
Для точной проверки отобрали 94 системы, мало похожие на известные механизмы защиты. Гены синтезировали искусственно, встроили в уязвимый штамм Escherichia coli и проверили против 24 вирусов. Лабораторные тесты принесли блестящие итоги: 42 из 94 систем (45%) эффективно защитили бактерии от бактериофагов! Было выявлено 15 абсолютно новых белковых доменов, ранее не связываемых с иммунитетом (таких, как металлофосфатазы и HAD-подобные фосфатазы). Почти половина новых генов работала за пределами ""островков защиты"", часто в подвижных элементах (например, плазмидах).
SMPDL3A связь и механизм токсин-антитоксин
Одна из систем, DS-8, обладает частью, родственной человеческому белку SMPDL3A. У людей он важен для врожденного иммунитета, что показывает глубокую эволюционную связь защиты бактерий и человека. Другая система использует принцип токсин-антитоксин: вирусное вторжение запускает самоуничтожение зараженной клетки, предотвращая размножение фага и защищая колонию.
5200+ инновационных антивирусных систем!
Применение модели к тысяче геномов других микробов дало поразительный результат: алгоритм нашел свыше 5200 новых потенциальных защитных систем! Более 3000 из них совершенно не похожи структурно на какие-либо изученные белки. Алгоритм иллюстрирует невероятно масштабный и структурно богатый арсенал бактериальной защиты. Будущие исследования этих систем прояснят детали вечной гонки вооружений между вирусами и микробами, а также помогут проследить эволюцию иммунитета от простейших к высшим животным.
Источник: naked-science.ru
