пожирачі бактерій

Пожирачі бактерій

Костянтин Мірошников,
і. о. завідувача лабораторією молекулярної біоінженерії Інституту біоорганічної хімії ім. Шемякіна і Овчинникова РАН
"Популярна механіка" №10, 2013

Костянтин Мірошников

У всіх істот, що мешкають на землі, є мікроскопічні паразити – віруси. Є свої віруси і у бактерій. Цикл розмноження бактеріальних вірусів неминуче закінчується загибеллю мікроба. Щоб підкреслити таку особливість, один з першовідкривачів цього ефекту, Фелікс Д'Ерель, придумав спеціальну назву – "бактеріофаги", в перекладі з грецького – "пожирачі бактерій".

В кінці ХХ століття стало ясно, що бактерії безумовно домінують в біосфері Землі, складаючи понад 90% її біомаси. У кожного виду є безліч спеціалізованих типів вірусів. За попередніми оцінками, число видів бактеріофагів становить близько 1015. Щоб зрозуміти масштаб цієї цифри, можна сказати, що якщо кожна людина на Землі буде кожен день відкривати по одному новому бактеріофагу, то на опис всіх їх знадобиться 30 років.

Таким чином, бактеріофаги – самі маловивчені істоти в нашій біосфері. Більшість відомих сьогодні бактеріофагів належить до ряду Caudovirales – хвостаті віруси. Їх частки мають розмір від 50 до 200 нм.Хвіст різної довжини і форми забезпечує приєднання вірусу до поверхні бактерії-господаря, головка (капсид) служить сховищем для генома. Геномна ДНК кодує структурні білки, що формують "тіло" бактеріофага, і білки, які забезпечують розмноження фага всередині клітини в процесі інфекції.

Можна сказати, що бактеріофаг – це природний високотехнологічний нанооб'єктів. Наприклад, хвости фагів є "молекулярний шприц", який протикає стінку бактерії і, скорочуючись, впорскує свою ДНК всередину клітини. З цього моменту починається інфекційний цикл. Його подальші етапи складаються з перемикання механізмів життєдіяльності бактерії на обслуговування бактеріофага, розмноження його генома, побудова безлічі копій вірусних оболонок, упаковки в них ДНК вірусу і, нарешті, руйнування (лізис) хазяйської клітини.

Бактеріофаг – це не жива істота, а молекулярний наномеханізм, створений природою. Хвіст бактеріофага – шприц, який протикає стінку бактерії і впорскує вірусну ДНК, яка зберігається в головці (капсиді), всередину клітини.

У кожного етапу існує безліч нюансів, що мають глибокий еволюційний і екологічний сенс. Адже бактерії і їх вірусні паразити співіснують сотні мільйонів, якщо не мільярди років.І ця боротьба за виживання не закінчилася ні тотальним знищенням одноклітинних, ні придбанням тотальної стійкості до фагів і безконтрольним розмноженням бактерій.

Крім постійного еволюційного змагання механізмів захисту у бактерій і нападу у вірусів, причиною сформованого рівноваги можна вважати і те, що бактеріофаги спеціалізувалися на свій інфекційного дії. Якщо є велика колонія бактерій, де своїх жертв знайдуть і наступні покоління фагів, то знищення бактерій літичними (що вбиває, дослівно – розчинювальними) фагами йде швидко і безперервно.

Якщо потенційних жертв замало або зовнішні умови не дуже підходять для ефективного розмноження фагів, то перевага отримують фаги з лізогенним циклом розвитку. У цьому випадку після впровадження всередину бактерії ДНК фага не відразу запускає механізм інфекції, а до пори до часу існує всередині клітини в пасивному стані, часто проникаючи в бактеріальний геном.

Як діє бактеріофаг

В такому стані профага вірус може існувати довго, проходячи разом з хромосомою бактерії цикли поділу клітини.І лише коли бактерія потрапляє в сприятливе для розмноження середовище, активується литический цикл інфекції. При цьому, коли ДНК фага звільняється з бактеріальної хромосоми, часто захоплюються і сусідні ділянки бактеріального генома, а їх вміст в подальшому може перенестися в наступну бактерію, яку заразить бактеріофаг. Цей процес (трансдукція генів) вважається найважливішим засобом перенесення інформації між прокариотами – організмами без клітинних ядер.

Всі ці молекулярні тонкощі не були відомі в другому десятилітті ХХ століття, коли були відкриті "невидимі інфекційні агенти, що знищують бактерій". Але і без електронного мікроскопа, за допомогою якого в кінці 1940-х вперше вдалося отримати зображення бактеріофагів, було зрозуміло, що вони здатні знищувати бактерії, в тому числі і хвороботворні. Це властивість було негайно затребуване медициною.

Перші спроби лікування фагами дизентерії, ранових інфекцій, холери, тифу і навіть чуми були проведені досить акуратно, і успіх виглядав цілком переконливо. Але після початку масового випуску і використання фагів препаратів ейфорія змінилася розчаруванням.Про те, що таке бактеріофаги, як виробляти, очищати і використовувати їх лікарські форми, було відомо ще дуже мало. Досить сказати, що за результатами розпочатої в США в кінці 1920-х років перевірки в багатьох промислових фагопрепаратах власне бактеріофагів взагалі не виявилося.

Проблема з антибіотиками

Другу половину ХХ століття в медицині можна назвати "епохою антибіотиків". Однак ще першовідкривач пеніциліну Олександр Флемінг в своїй Нобелівської лекції попереджав, що стійкість мікробів до пеніциліну виникає досить швидко. До пори до часу антибіотикостійкими компенсувалася розробкою нових типів протимікробних ліків. Але з 1990-х років стало ясно, що людство програє "гонку озброєнь" проти мікробів.

Винне насамперед безконтрольне застосування антибіотиків не тільки в лікувальних, але і в профілактичних цілях, причому не тільки в медицині, але і в сільському господарстві, харчовій промисловості та побуті. В результаті стійкість до цих препаратів почала вироблятися не тільки у хвороботворних бактерій, а й у самих звичайних мікроорганізмів, що живуть в грунті і воді, роблячи з них "умовних патогенів".

Такі бактерії комфортно існують в медичних установах, заселяючи сантехніку, меблі, медичну апаратуру, часом навіть дезінфікуючі розчини. У людей з ослабленим імунітетом, яких в лікарнях більшість, вони викликають важкі ускладнення.

Не дивно, що медична спільнота б'є на сполох. У минулому, у 2012 році гендиректор ВООЗ Маргарет Чен виступила із заявою, що пророчить кінець ери антибіотиків і беззахисність людства перед інфекційними захворюваннями. Втім, практичні можливості комбінаторної хімії – основи фармакологічної науки – далеко не вичерпані. Інша справа, що розробка протимікробних засобів – дуже дорогий процес, який не приносить таких прибутків, як багато інших ліків. Так що страшилки про "супербактеріі" – це скоріше застереження, що спонукає людей до пошуків альтернативних рішень.

Бактеріофаги і імунітет

Оскільки бактеріофагів в природі незліченна кількість і вони постійно потрапляють в організм людини з водою, повітрям і їжею, то імунітет їх просто ігнорує. Існує навіть гіпотеза про симбіозі бактеріофагів в кишечнику, регулює кишкову мікрофлору.Домогтися якийсь імунної реакції можна лише при тривалому введенні в організм великих доз фагів.

Але таким чином можна домогтися алергії на майже будь-які речовини. І нарешті, дуже важливо, що бактеріофаги недорогі. Розробка і виробництво препарату, що складається з точно підібраних бактеріофагів з повністю розшифрованими геномами, культивованих за сучасними біотехнологічним стандартам на певних штамах бактерій в хімічно чистих середовищах і минулих високу очистку, на порядки дешевше, ніж сучасних складних антибіотиків.

Це дозволяє швидко пристосовувати фаготерапевтіческіе препарати до мінливих наборам патогенних бактерій і застосовувати бактеріофаги в ветеринарії, де дорогі ліки економічно не виправдані.

На медичній службі

Фотографія, зроблена за допомогою електронного мікроскопа, показує процес закріплення бактеріофагів (коліфагів T1) На поверхні бактерії E. coli

Цілком логічним виглядає відродження інтересу до використання бактеріофагів – природних ворогів бактерій – для лікування інфекцій. Дійсно, за десятиліття "ери антибіотиків" бактеріофаги активно служили науці, але не медицині, а фундаментальної молекулярної біології.Досить згадати розшифровку "триплетів" генетичного коду і процесу рекомбінації ДНК. Зараз про бактеріофагів відомо досить, щоб обгрунтовано вибирати фаги, які підходять для терапевтичних цілей.

Переваг у бактеріофагів як потенційних ліків безліч. Перш за все – це їх незліченна кількість. Хоча змінювати генетичний апарат бактеріофага теж набагато простіше, ніж у бактерії, і тим більше – у вищих організмів, в цьому немає необхідності. Завжди можна підібрати щось підходяще в природі. Мова йде скоріше про селекцію, закріпленні затребуваних властивостей і розмноженні потрібних бактеріофагів.

Це можна порівняти з виведенням порід собак – їздових, сторожових, мисливських, гончих, бійцівських, декоративних … Всі вони при цьому залишаються собаками, але оптимізовані під певний вид дій, потрібних людині. По-друге, бактеріофаги строго специфічні, тобто вони знищують тільки певний вид бактерій, що не пригнічуючи при цьому нормальну мікрофлору людини.

По-третє, коли бактеріофаг знаходить бактерію, яку повинен знищити, він в процесі свого життєвого циклу починає розмножуватися.Таким чином, не настільки гострим стає питання дозування. По-четверте, бактеріофаги не викликають побічних ефектів. Всі випадки алергічних реакцій при використанні терапевтичних бактеріофагів були викликані якими домішками, від яких препарат був недостатньо очищений, або токсинами, що виділяються при масовій загибелі бактерій. Останнє явище, "ефект Герксхаймера", нерідко спостерігається і при застосуванні антибіотиків.

Дві сторони медалі

На жаль, недоліків у медичних бактеріофагів теж чимало. Найголовніша проблема виникає з гідності – високу специфічність фагів. Кожен бактеріофаг інфікує строго певний тип бактерій, навіть не таксономический вид, а ряд більш вузьких різновидів, штамів. Умовно кажучи, як якщо б сторожова собака починала гавкати тільки на одягнених в чорні плащі громив двометрового зросту, а на що лізе в будинок підлітка в шортах ніяк не реагувала.

Тому для нинішніх фагових препаратів нерідкі випадки неефективного застосування. Препарат, зроблений проти певного набору штамів і прекрасно лікуючий стрептококову ангіну в Смоленську, може виявитися безсилим проти за всіма ознаками такий же ангіни в Кемерові.Хвороба та ж, викликається тим же вірусом, а штами стрептокока в різних регіонах виявляються різними.

Для максимально ефективного застосування бактеріофага необхідна точна діагностика патогенного мікроба, аж до штаму. Найпоширеніший зараз метод діагностики – культуральний посів – займає багато часу і необхідної точності не дає. Швидкі методи – типування за допомогою полімеразної ланцюгової реакції або мас-спектрометрії – впроваджуються повільно через дорожнечу апаратури і більш високих вимог до кваліфікації лаборантів. В ідеалі підбір фагів-компонентів лікарського препарату можна було б робити проти інфекції кожного конкретного пацієнта, але це дорого і на практиці неприйнятно.

Інший важливий недолік фагів – їх біологічна природа. Крім того, що бактеріофаги для підтримки інфекційності вимагають особливих умов зберігання і транспортування, такий метод лікування відкриває простір для безлічі спекуляцій на тему "сторонньої ДНК в людині". І хоча відомо, що бактеріофаг в принципі не може заразити людську клітину і впровадити в неї свою ДНК, поміняти громадську думку непросто.

З біологічної природи і досить великого, в порівнянні з низькомолекулярними ліками (тими ж антибіотиками), розміру випливає третє обмеження – проблема доставки бактеріофага в організм. Якщо мікробна інфекція розвивається там, куди бактеріофаг можна прикласти безпосередньо у вигляді крапель, спрею або клізми, – на шкірі, відкритих ранах, опіках, слизових оболонках носоглотки, вух, очей, товстого кишечника – то проблем не виникає.

Але якщо зараження відбувається у внутрішніх органах, ситуація складніша. Випадки успішного лікування інфекцій нирок або селезінки при звичайному пероральному прийомі препарату бактеріофага відомі. Але сам механізм проникнення щодо великих (100 нм) фагових частинок зі шлунка в кровотік і у внутрішні органи вивчений погано і сильно різниться від пацієнта до пацієнта. Бактеріофаги безсилі і проти тих мікробів, які розвиваються всередині клітин, наприклад збудників туберкульозу і прокази. Через стінку людської клітини бактеріофаг пробратися не може.

Потрібно відзначити, що протиставляти застосування бактеріофагів і антибіотиків в медичних цілях не слід.При спільному їх дії спостерігається взаємне посилення протибактеріальної ефекту. Це дозволяє, наприклад, знизити дози антибіотиків до значень, що не викликають виражених побічних ефектів. Відповідно, і механізм вироблення у бактерій стійкості до обох компонентів комбінованого ліки майже неможливий.

Розширення арсеналу протимікробних препаратів дає більше ступенів свободи у виборі методики лікування. Таким чином, науково обгрунтоване розвиток концепції застосування бактеріофагів в протимікробної терапії – перспективний напрямок. Бактеріофаги служать не стільки альтернативою, скільки доповненням і посиленням в боротьбі з інфекціями.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: