Бактериофаги: как вирусы бактерий могут стать лекарствами будущего

Что такое бактериофаги

Бактериофаги — это вирусы бактерий. У всех организмов на Земле есть крошечные, невидимые в оптический микроскоп паразиты — вирусы. Есть они и у одноклеточных.

Цикл размножения бактериальных вирусов обычно заканчивается гибелью микроба. Однако существуют разновидности бактериофагов, которые не уничтожают клетку хозяина напрямую, а, как вирусы более совершенных организмов, оставляют ее истощенной, но жизнеспособной.

Бактерии доминируют в биосфере Земли, составляя более 90% ее биомассы. У каждого вида бактерий имеется множество специализированных типов вирусов. Бактериофаги — это самые многочисленные существа в биосфере. Их изучают уже более ста лет.

Кто открыл бактериофаги

В последней четверти XIX века благодаря микробной теории инфекционных заболеваний Пастера и Коха ускорился прогресс в области экспериментальной микробиологии. В частности, ученые научились культивировать микроорганизмы. Исследователи регулярно наблюдали необычный эффект: растущая культура бактерий внезапно самоуничтожалась по не известным тогда причинам. Существование мельчайшего инфекционного агента, способного проходить через самые тонкие фильтры и вызывать гибель бактерий, выявили в конце 1890-х.

Однако природа этого агента оставалась непонятной. В то же время исследователи активно изучали вирусы. Сопоставить эти две линии экспериментальных находок и обосновать это в дискуссии с научными оппонентами удалось в 1917 году франко-канадскому естествоиспытателю Феликсу Д’ Эрелю.

Главной проблемой ранних работ в области биологии бактериофагов была ограниченность доступных в то время экспериментальных методов. Исследователям приходилось работать с невидимым организмом, многие свойства которого было невозможно интерпретировать. Как выглядит бактериофаг, удалось узнать только в 1940-х годах с появлением электронной микроскопии.

Экономика инноваций Кумыс для космонавтов и энергия из бактерий: чем занимаются микробиологи

Как работают бактериофаги

Инфекционный цикл бактериофагов проходит по тем же основным этапам, что и у других вирусов. Бактериофаг должен присоединиться к бактериальной клетке и доставить свой генетический материал внутрь нее. Дальнейшие этапы развития инфекции переключают механизмы жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножение его генома, построение копий вирусных оболочек, упаковку в них нуклеиновой кислоты вируса и, наконец, разрушение зараженной клетки. У каждого из этих этапов существуют множество нюансов, имеющих глубокий эволюционный и экологический смысл.

Роль бактериофагов в биосфере — регуляция численности и разнообразия одноклеточных микроорганизмов. Бактерии и их вирусные паразиты сосуществуют миллиарды лет. И эта борьба за выживание не закончилась ни тотальным уничтожением одноклеточных, ни приобретением тотальной устойчивости к фагам и бесконтрольным размножением бактерий.

Самые распространенные бактериофаги

Доминирующий в природе вид бактериофагов — хвостатые. Хвост разной длины и формы обеспечивает присоединение вируса к поверхности бактерии-хозяина, головка служит хранилищем для генома. Геномная ДНК кодирует структурные белки, формирующие «тело» бактериофага и белки, которые обеспечивают размножение фага внутри клетки в процессе инфекции.

Можно сказать, что бактериофаг — это природный высокотехнологичный нанообъект. Например, хвосты фагов представляют собой «молекулярный шприц», который протыкает стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки.

Футурология Идеальный человек: что посмотреть о биохакинге и редактировании ДНК

На что способны бактериофаги

Во время раннего периода изучения бактериофагов, в 1920–1930-х годах, единственным достоверно понятным их свойством была способность уничтожать бактерии, в том числе и болезнетворные. Этим свойством незамедлительно заинтересовались исследователи в области медицины. Первые попытки лечения фагами дизентерии, раневых инфекций, холеры и тифа были проведены пусть не по современным стандартам, но достаточно аккуратно. Успех выглядел вполне убедительно. Перспективными были попытки бороться с их помощью с бактериальными болезнями животных и растений.

Однако после начала массового выпуска и использования фаговых препаратов эйфория сменилась разочарованием. На тот момент было известно очень мало о том, что такое бактериофаги, как их производить, очищать и применять их лекарственные формы.

В 1940-х годах более перспективным оказался подход применения в медицине низкомолекулярных веществ, убивающих микроорганизмы, — антибиотиков. Эти вещества были проще в производстве, хранении, а главное — быстро и качественно уничтожали всех микробов в человеческом организме.

Но бактериофаги оказались удивительно удобными модельными объектами для исследования фундаментальных закономерностей бурно развивающейся молекулярной биологии. Многие важнейшие открытия, без которых немыслима современная наука, например, рекомбинация ДНК и расшифровка «триплетов» генетического кода, были сделаны с помощью бактериофагов. Выделенные из бактериофагов ферменты стали классикой генетической инженерии.

Расшифровка геномов организмов тоже началась с небольших геномов фагов. С развитием экспериментальной геномики ученые все больше узнавали о колоссальной роли бактериофагов в экологии и эволюции биосферы. Выполненные в начале 2000-х исследования метагеномов — полного генетического материала биологических сообществ — пролили свет на колоссальное разнообразие бактериофагов в природе. Так, например, была открыта система CRISPR-Cas.

Поскольку бактериофаги легко культивировать и эти вирусы имеют симметричное строение, они оказались удобными моделями для развития методов исследования структуры биомолекул. Например, криоэлектронная микроскопия, ныне золотой стандарт структурной биологии, началась в 1990-х годах с реконструкций внутренних оболочек (капсидов) вирусов бактерий. Капсиды некоторых фагов способны самостоятельно собираться в пространственные структуры. Это удобный способ получения биоразлагаемых белковых наночастиц — «капсул» для целенаправленной доставки лекарств.

Какой потенциал у изучения бактериофагов

Потенциал детальных исследований бактериофагов еще очень велик как в фундаментальном, так и в прикладном контексте.

Возобновляется интерес к бактериофагам как к терапевтическим средствам. В последние десятилетия использование антибиотиков вызывает все больше вопросов. Возникает проблема поиска дополнительных и альтернативных средств борьбы с болезнетворными бактериями. В отличие от ситуации столетней давности, о бактериофагах известно достаточно, чтобы обоснованно выбирать те, которые подходят для терапевтических целей. Изучены многие аспекты поведения фагов в организме человека и их взаимодействия с иммунной системой.

Для разработки и производства эффективного препарата необходимо точно подобрать бактериофаги с полностью расшифрованными геномами, культивировать их по современным биотехнологическим стандартам на определенных штаммах бактерий в химически чистых средах и провести очистку высокой степени. Однако это все равно дешевле, чем создание современных сложных антибиотиков. Кроме того, использование бактериофагов и антибиотиков в медицинских целях не противоречит друг другу. При совместном их применении наблюдается синергизм — взаимное усиление антибактериального эффекта. Это позволяет, например, снизить дозы антибиотиков до значений, не вызывающих выраженных побочных эффектов. Опубликован ряд работ, которые детально описывают успешные случаи излечения с помощью бактериофагов инфекций, устойчивых к антибиотикам.

Экономика инноваций Что такое резистентность к антибиотикам и почему она опасна

За что критикуют исследование бактериофагов в научном сообществе

Разумеется, бактериофаги не всесильны. Есть ряд фундаментальных ограничений их использования. Прежде всего — очень высокая специфичность действия. С одной стороны, это достоинство, так как антибактериальный эффект препаратов не затрагивает нормальную микрофлору человеческого организма. Но, с другой, применение бактериофагов требует высокоточной диагностики целевого патогена — возбудителя заболевания. В идеале подбор фагов-компонентов лекарственного препарата можно было бы делать индивидуально для каждого конкретного пациента. Но несмотря на то, что о персонифицированной медицине много говорится, эта концепция слишком сложна и дорога на практике.

«Слабое звено» фаготерапии — регистрационные и финансовые вопросы. Поскольку разновидности патогенных бактерий в клинической картине постоянно меняются, требуется периодическая адаптация состава фагового препарата к конкретным возбудителям. При наличии коллекций охарактеризованных бактериофагов — некоего «каталога» фагов с полностью расшифрованным геномом — сделать это несложно.

Но по существующим правилам при каждом изменении компонентов необходимо заново проводить сертификационные действия. Требуется разработка принципиально новых стандартов тестирования и регистрации лекарственных препаратов на основе бактериофагов. Это признается специалистами здравоохранения, но нигде в мире пока не реализовано.