Второе рождение пожирателей бактерий

Роль вирусов в природе

Бактериофаги (от греч. phagos – «пожирающий») признаны самым распространенным и разнообразным объектом в биосфере, но особенно много их в Мировом океане. В одной чайной ложке морской воды их около десяти миллионов. Значение морских вирусов очень велико, но, пожалуй, главная их задача – сокращение количества углекислого газа в атмосфере. Благодаря им оно уменьшается приблизительно на три гигатонны в год. Выполняют они и другие полезные функции, например, регулируют морские и пресноводные экосистемы, стимулируют рост новых водорослей и фитопланктона, уничтожают вредное цветение воды.

Кроме того, вирусы являются важным естественным средством передачи генов между различными видами. Считается, что именно они сыграли главную роль в ранней эволюции, до того как универсальный общий предок породил бактерии, археи и эукариоты. Но и сегодня вирусы по-прежнему служат одним из крупнейших резервуаров генетического разнообразия на Земле.

Принципы фаговой терапии

Механизм существования и размножения бактериофагов точно такой же, как и вирусов, поражающих организм человека. Фаги прикрепляются к бактериальным клеткам и вводят в них свой вирусный геном. Клетки теряют возможность размножаться и вместо этого производят новые фаги. Поскольку в результате такого процесса развитие бактериальной инфекции останавливается, его можно использовать в лечебных целях. Эта простая идея более ста лет назад пришла в голову одному из первооткрывателей бактериофагов французско-канадскому ученому Феликсу д’Эрелю, а затем была подхвачена грузинским исследователем Георгием Элиава.

Бактериофаги достаточно широко применялись для лечения бактериальных инфекций в Советском Союзе. Использовались они и в Индии для борьбы с холерой и бубонной чумой. Однако на Западе не стали популярными. Главным образом, это было связано с тем, что большинство научных исследований бактериофагов опубликованы на русском и грузинском языках, а железный занавес не давал им выйти на международный уровень. К тому же с появлением антибактериальных препаратов разработка альтернативных вариантов лечения бактериальных инфекций была заброшена, поскольку антибиотики было проще производить, хранить и прописывать. Но с наступлением нового тысячелетия ситуация изменилась.

Действенные «коктейли»

Новая волна интереса к фаговой терапии, в первую очередь, связана с растущей лекарственной устойчивостью бактерий к антибиотикам. В отличие от препаратов этого класса, фаги способны действовать даже на самые резистентные штаммы. Как правило, они успешнее убивают и бактерии, которые умеют создавать биопленку (далеко не все антибактериальные средства могут преодолеть этот барьер).

Бактериофаги имеют и другие преимущества. Они гораздо более специфичны, поэтому безопасны для организма-хозяина, а также для проживающих в нем полезных бактерий, например для кишечной микрофлоры. Кроме того, фаготерапия снижает риск развития оппортунистических инфекций и побочных эффектов. Впрочем, высокая специфичность является и недостатком: вирус убивает бактерию, только если она соответствует определенному штамму, поэтому для повышения шансов на успех чаще используют смеси бактериофагов.

За последнее десятилетие было протестировано немало таких «коктейлей». Например, исследователи из Университета Лестера (Великобритания) нашли комбинацию бактериофагов для лечения инфекций, вызванных Clostridium difficile – возбудителем почти 40% бактериальных диарей^[1]. Основными препятствиями на пути антибактериальной терапии этой инфекции являются разнообразие бактериальных штаммов и их разная реакция на препараты, тогда как с помощью фагового коктейля ученым удалось полностью уничтожить 12 из 13 наиболее распространенных вариантов клостридий.

Специалисты из Университета Бригама Янга (штат Юта, США) нашли шесть уникальных типов фагов, которые могут убивать метициллин-устойчивый золотистый стафилококк, и продемонстрировали их способность дезактивировать его как с твердых поверхностей (стеклянный стол), так и с тканей (лабораторный халат)^[2]. А международная группа исследователей обнаружила новый необычно крупный бактериофаг, который заражает бациллы сибирской язвы и некоторые близкородственные бактерии, в том числе штаммы Bacilluscereus, которые могут вызывать пищевое отравление^[3].

Ученым удалось создать «коктейли» и для уничтожения других бактерий, в том числе кишечной палочки, стафилококка, энтерококка, иерсинии, синегнойной палочки и пр. Но несмотря на эти достижения, а также успешные клинические испытания бактериофагов, которые были проведены в США, Великобритании и Бельгии еще в 2009 году, лекарственные препараты на их основе не получили широкого распространения.

И ложечка дегтя

Дело в том, что чем подробнее ученые исследовали бактериофаги, тем больше преград возникало на их пути. Оказалось, что поиск фагов, нацеленных на нужные виды бактерий, является очень трудным и длительным процессом, который напоминает поиск иголки в стоге сена. К тому же далеко не все из обнаруженных вирусов подходят для использования в терапевтических целях. Например, сотрудники Стэнфордского университета (США) установили, что некоторые бактериофаги распознаются иммунными клетками как антигены, т.е. вызывают антивирусный ответ, который в данном случае является нежелательной реакцией^[4].

Сегодня некоторые фаги используются для уничтожения вредных бактерий в пище, очистки вод и экспериментального лечения (чаще всего кожных инфекций), однако ни один из них не одобрен как препарат для массового производства.

Было найдено также подмножество бактериофагов, которые усугубляют устойчивость бактерий к противомикробным средствам. Многие бактерии несут плазмиды, внехромосомные элементы ДНК, которые кодируют их устойчивость к антибиотикам. И когда вторгающийся бактериофаг разрушает бактериальную клетку, он может способствовать передаче ее плазмиды другим бактериям. Так, американские исследователи инфицировали устойчивый к ампициллину штамм Escherichia coli 20 различными фагами и обнаружили, что два из них эффективно высвобождали плазмиды и способствовали их переносу, увеличивая устойчивость бактерий примерно в 50 раз^[5].

Еще одно неприятное открытие было сделано норвежскими учеными^[6]. Они заметили, что некоторые бактериофаги могут превращать безвредный для человека штамм кишечной палочки в опасный. При заражении бактерий они передают им ген, отвечающий за производство токсина, который вызывает кровавую диарею и гемолитический уремический синдром (почечную недостаточность). Подобные механизмы превращения непатогенных бактерий в патогенные при участии бактериофагов были выявлены и у некоторых других видов.

На пороге новой эры

Все эти открытия могли бы поставить крест на фаговой терапии, если бы на помощь ученым не пришла генная инженерия. Вместо того, чтобы изучать миллионы фагов и выбирать те, которые обладают желаемыми характеристиками, исследователи решили создавать их самостоятельно. Так, в 2018 году специалисты Федерального института технологий (Цюрих, Швейцария) подали патентную заявку на технологическую платформу производства синтетических бактериофагов[7]. С ее помощью можно спланировать геном бактериофага, удаляя гены, которые придают ему нежелательные свойства, или, напротив, включая в него новые, дополнительные функции, например, способность вырабатывать ферменты для растворения бактериальной клеточной стенки. После этого бактериофаг можно будет собрать в пробирке из фрагментов ДНК и размножить на специально подготовленных клеточных культурах.

Такая технология может открыть новую эру в использовании бактериофагов, поскольку позволит преодолеть все ограничения, связанные с использованием естественных вирусов. Возможно, в течение ближайших десяти лет мы увидим более широкое применение «пожирателей бактерий» не только в пищевой промышленности, но и в медицине.

1. Nale J. Y., Chutia M., Carr P. et al. Get in Early; Biofilm and Wax Moth (Galleria mellonella) / Models Reveal New Insights into the Therapeutic Potential of Clostridium difficile Bacteriophages // Frontiers in Microbiology, 2016; 7 DOI: 10.3389/fmicb.2016.01383.
2. Jensen K. C., Hair B. B., Wienclaw T. M. et al. Isolation and Host Range of Bacteriophage with Lytic Activity against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus and Potential Use as a Fomite Decontaminant // PLOS ONE, 2015; 10 (7): e0131714 DOI: 10.1371/journal.pone.0131714.
3. Ganz H., Law C., Schmuki M. et al. Novel Giant Siphovirus from Bacillus anthracis Features Unusual Genome Characteristics // PLoS ONE, 2014; 9 (1): e85972 DOI: 10.1371/journal.pone.0085972.
4. Sweere J. M., Van Belleghem J. D., Ishak H. et al. Bacteriophage trigger antiviral immunity and prevent clearance of bacterial infection // Science, 2019; 363 (6434): eaat9691 DOI: 10.1126/science.aat9691.
5. DeJesus M. A., Gerrick E. R., Xu W. et al. Comprehensive Essentiality Analysis of the Mycobacterium tuberculosis Genome via Saturating Transposon Mutagenesis // mBio, 2017; 8 (1): e02133-16 DOI:10.1128/mBio.02133-16.
6. Viruses Can Turn Harmless E. Coli Dangerous ScienceDaily / Norwegian School of Veterinary Science // ScienceDaily, 22 April 2009. 7. Kilcher S., Studer P., Muessner C. et al. Cross-genus rebooting of custom-made, synthetic bacteriophage genomes in L-form bacteria // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 115 (3): 567 DOI: 10.1073/pnas.1714658115.
7. Kilcher S., Studer P., Muessner C. et al. Cross-genus rebooting of custom-made, synthetic bacteriophage genomes in L-form bacteria // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 115 (3): 567 DOI: 10.1073/pnas.1714658115.

Читайте также: Паразитические черви – новая надежда пациентов с рассеянным склерозом.

Использованы фото Shutterstock/FOTODOM UKRAINE