Вирусы и бактерии – великое противостояние

Создание современной технологии геномного редактирования, которая уже с успехом применяется на разных животных, растениях, грибах и бактериях, базируется на исследованиях бактериальных систем CRISPR-Cas. Изначально предполагалось, что они участвуют в ликвидации повреждений бактериальной ДНК, но в 2007 г. стало ясно, что истинное предназначение этих систем – борьба с вирусами бактерий, бактериофагами. Всего за девять лет наука проделала гигантский путь от раскрытия механизма бактериального иммунитета до редактирования геномов людей – в настоящее время уже проводятся первые эксперименты по редактированию ДНК человеческих эмбрионов. У бактерий имеются и другие «иммунные» механизмы, изучение которых, возможно, создаст предпосылки для новых прорывов в биомедицине

Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.

Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al. , 1994).

Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изу­чены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al. , 1993).

Кто защищен – тот вооружен

На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.

В ходе эволюции происходила и сейчас происходит селекция бактерий, способных избежать гибели при инфицировании вирусами, что, в свою очередь, служит стимулом для бактериофагов совершенствовать свои агрессивные стратегии. Эта «гонка вооружений», длящаяся несколько миллиардов лет, т. е. ровно столько, сколько существуют сами бактерии и их враги, породила целый ряд изощренных механизмов защиты и нападения

Вирусная атака начинается с прикрепления фага к специфическому рецептору на поверхности бактериальной клетки, но при потере рецептора или изменении в его структуре связывания вируса не происходит. Бактерии могут менять рецепторы в зависимости от окружающих условий, таких как плотность и разнообразие микроорганизмов в среде, а также доступность питательных веществ (Bikard et al. , 2012). Любопытный пример - ​бактерии вида Vibrio anguillarum , которые способны формировать биопленку , т. е. плотный слой клеток, прикрепленный к какой-либо поверхности. У этой бактерии имеется своего рода «чувство кворума», за счет чего при увеличении плотности клеток у них понижается выработка рецептора, с которым может связываться вирус. В результате биопленка становится почти полностью устойчивой к заражению (Tan et al. , 2015).

Однако потеря рецепторов не всегда выгодна для бактерии, поскольку они выполняют разнообразные важные функции, например, транспорт питательных веществ или формирование межклеточных контактов (Lopez-Pascua et al. , 2008). В результате для каждой пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции находится оптимальное решение, обеспечивающее приемлемый уровень защиты при сохранении возможности роста бактерий в различных условиях среды.

Следующий защитный механизм – исключение супер­инфекции . Для бактериофагов известны два основных пути инфекции: литический , приводящий к быстрой гибели зараженной бактерии с высвобождением вирусного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда наследственный материал вируса находится внутри генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК, не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится в состоянии лизогенной инфекции, то, с точки зрения «домашнего» вируса (профага ), ее заражение другим вирусом нежелательно.

Действительно, многие вирусы, встроившие свою ДНК в геном клетки, ограничивают вновь проникшего в клетку бактериофага («суперинфекцию») посредством специальных белков-репрессоров, не позволяющих генам «пришельца» работать (Calendar, 2006). А некоторые фаги даже препятствуют другим вирусным частицам проникнуть в инфицированную ими клетку, воздействуя на ее рецепторы. В результате бактерии – носительницы вируса имеют очевидное преимущество по сравнению с незараженными собратьями.

В 1978 г. за открытие ферментов рестриктаз швейцарский генетик В. Арбер и американские микробиологи Д. Натанс и Г. Смит были удостоены Нобелевской премии. Изучение систем рестрикции-модификации привело к созданию технологии молекулярного клонирования, которая широко применяется во всем мире. С помощью рестриктаз можно «вырезать» гены из генома одного организма и вставить в геном другого, получив химерную рекомбинантную ДНК, не существующую в природе. Различные вариации этого подхода используются учеными для изолирования отдельных генов и их дальнейшего изучения. Кроме того, он широко применяется в фармацевтике, например, для наработки инсулина или терапевтических антител: все лекарства такого рода созданы с помощью молекулярного клонирования, т. е. являются продуктом генной модификации

Во время инфекции все ресурсы бактериальной клетки направлены на производство новых вирусных частиц. Если рядом с такой клеткой будут находиться другие уязвимые бактерии, то инфекция быстро распространится и приведет к гибели большинства из них. Однако для таких случаев у бактерии имеются так называемые системы абортивной инфекции , которые приводят ее к запрограммированной гибели. Конечно, этот «альтруистичный» механизм не спасет саму зараженную клетку, но остановит распространение вирусной инфекции, что выгодно для всей популяции. Бактериальные системы абортивной инфекции очень разнообразны, но детали их функционирования пока изучены недостаточно.

К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации , в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу . Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4-6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.

В ДНК бактерии, содержащей такую систему, все сайты модифицированы. И если бактерия заражается вирусом, ДНК которого не содержит подобной модификации, рестриктаза защитит от инфекции, разрушив вирусную ДНК. Многие вирусы «борются» с системами рестрикции-модификации, не используя в своих геномах последовательности, узнаваемые рестриктазой, – очевидно, что вирусные варианты с другой стратегией просто не оставили потомства.

Последней и в настоящее время самой интересной системой бактериального иммунитета является система CRISPR-Cas, с помощью которой бактерии способны «записывать» в собственный геном и передавать потомству информацию о фагах, с которыми они сталкивались в течение жизни. Наличие таких «воспоминаний» позволяет распознавать ДНК фага и эффективней противостоять ему при повторных инфекциях. В настоящее время к системам CRISPR-Cas приковано пристальное внимание, так как они стали основой революционной технологии редактирования геномов, которая в будущем, возможно, позволит лечить генетические заболевания и создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений.

Врага нужно знать в лицо

Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25-40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al. , 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ), а сам процесс приобретения спейсеров – ​адаптацией .

Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией . Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс , который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров ). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al. , 2012; Jinek et al. , 2012).

Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строе­нии и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al. , 2015; Shmakov et al. , 2015).

Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli ). Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.

В системах II типа эффекторный комплекс образован единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Именно простота и относительная компактность таких систем послужили основой для разработки технологии редактирования ДНК. Согласно этому методу, в клетки эукариот (например, человека) доставляют бактериальный белок Сas9 и крРНК, которую называют гидовой (гРНК). Вместо спейсера вирусного происхождения такая гРНК содержит целевую последовательность, соответствующую интересному для исследователя участку генома, например, где есть мутация, вызывающая какую-то болезнь. Получить же гРНК «на любой вкус» совсем несложно.

Эффекторный комплекс Cas9-гРНК вносит двуцепочечный разрыв в последовательность ДНК, точно соответствующую «гидовой» РНК. Если вместе с Cas9 и гРНК внести в клетку и последовательность ДНК, не содержащую мутацию, то место разрыва будет восстановлено по матрице «правильной» копии! Таким образом, используя разные гРНК, можно исправлять нежелательные мутации или вводить направленные изменения в гены-мишени. Высокая точность программируемого узнавания мишеней комплексом Cas9-гРНК и простота метода привели к лавинообразному росту работ по редактированию геномов клеток животных и растений (Jiang & Marraffini, 2015).

Гонка вооружений

В ходе эволюции бактерии и бактериофаги выработали ряд приспособлений, которые должны обеспечить каждому из участников «гонки вооружений» преимущество в борьбе с противником или возможность уклониться от его атаки.

Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направленные изменения в геноме бактерий, которые наследуются и дают бактериям явное преимущество, спасая от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas можно считать примером ламарковской эволюции, при которой происходит наследование благоприобретенных признаков (Koonin et al. , 2009)

Что касается систем CRISPR-Cas, то если фаг обзаведется мутацией в протоспейсере, эффективность его узнавания эффекторным комплексом снижается, и фаг получает возможность заразить клетку. Но и бактерия не оставит без внимания такую попытку ускользнуть от CRISPR-Cas: в качестве ответной реакции она начинает с резко возросшей эффективностью приобретать новые дополнительные спейсеры из ДНК уже «знакомого» фага, пусть и мутировавшего. Такое явление, названное праймированной адаптацией, многократно повышает эффективность защитного действия систем CRISPR-Cas (Datsenko et al. , 2012).

Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции (Bondy-Denomy et al. , 2015). Еще одно ухищрение - обмен участков генома вируса, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности (Paez-Espino et al. , 2015).

Результаты работ нашей лаборатории свидетельствуют, что зараженные клетки на самом деле погибают даже при наличии защиты CRISPR-Cas, но при этом они ограничивают численность вирусного потомства. Поэтому CRISPR-Cas правильнее относить к системам абортивной инфекции, а не к «настоящим» иммунным системам.

Благодаря постоянному совершенствованию биоинформатических алгоритмов поиска, а также включению в анализ все большего количества прокариотических геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем является делом недалекого будущего. Предстоит также выяснить и детальные механизмы работы многих недавно открытых систем. Так, в статье, опубликованной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, образующий эффекторный комплекс с крРНК, который нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh et al. , 2016). В будущем такое необычное свойство может быть использовано в медицине для регулирования активности генов путем изменения количества кодируемых ими РНК.

Изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность и отвлеченность от задач практической медицины, принесло неоценимую пользу человечеству. Примерами этого могут служить методы молекулярного клонирования и редактирования геномов – направленного внесения или удаления мутаций и изменения уровня транскрипции определенных генов.

Благодаря быстрому развитию методов молекулярной биологии всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем CRISPR-Cas была создана работающая технология геномного редактирования, способная бороться с болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми. Доступность и простота этой технологии позволяют рассматривать ее как основу для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и биотехнологий будущего, которые будут базироваться на направленных и безопасных генных модификациях.

Нет никаких сомнений, что дальнейшее изучение взаимодействия бактерий и их вирусов может открыть перед нами такие возможности, о которых мы сейчас даже не подозреваем.

Литература

Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353: aaf5573.

Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.

Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol. 2012. V. 1 P. 15–20.

Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.

Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press. 2006.

Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR/Cas adaptive bacterial immunity system // Nat. Commun. 2012. V. 3. P. 945

Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.

Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.

Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct. 2009. V. 4. P. 42.

Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.

Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.

Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have emerged recently in the dairy industry // Appl. Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.

Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46. P. 167–178.

Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.

Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014. V. 21. P. 528–534.

Nuñez J. K., Lee A. S., Engelman A., Doudna J. A. Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015b. V. 519. P. 193–198.

Paez-Espino D., Sharon I., et al. CRISPR Immunity Drives Rapid Phage Genome Evolution in Streptococcus thermophilus // MBio. 2015. V. 6: e00262–15.

Shmakov S., Abudayyeh O. O., Makarova K. S., et al. Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems. // Mol. Cell. 2015. V. 60. P. 385–397

Tan D., Svenningsen S. L., Middelboe M. Quorum sensing determines the choice of antiphage defense strategy in Vibrio anguillarum. // mBio 2015. V. 6: e00627–15.

Westra E. R., van Erp P. B., Künne T., et al. CRISPR immunity relies on the consecutive binding and degradation of negatively supercoiled invader DNA by Cascade and Cas3 // Mol. Cell. 2012. V. 46. P. 595–605.

Осень, время простуд, насморков и всяческих прочих Остро-респираторных заболеваний. В древние времена, когда медицина не изобретала синтетических лекарств, человек, чтобы выжить, мог рассчитывать только на себя, в буквальном смысле этого слова - на свой иммунитет (травки и корешки, данные нам природой, не считаются, их еще найти надо, да и не съесть ненароком что-нибудь не то.) Сейчас жить стало легче… и, одновременно, сложнее. Мы научились делать лекарства, но болезней больше и они умеют приспосабливаться, мутировать, точнее, не сами болезни, а их возбудители - вирусы и бактерии (но, об этом позже). И каждый раз, принимая лекарства, в частности антибиотики, нам необходимо взвешивать все за и против, чтобы не навредить себе. Чтобы этого не случилось, давайте попробуем разобраться, что такое антибиотики, когда они полезны, а когда вредны.

Перед любым приемом любого лекарства нужно точно знать, чем вы больны. Самолечение может быть крайне опасным. В идеале, конечно, лучше и вовсе не допускать болезни, как это сделать, вы можете почитать в нашей статье - . Но, если вы все так и заболели, что тогда? Согласимся, в наше время не все бегут к врачу с насморком и температурой 37. Но мы все знаем, что лечиться нужно. Правильный вопрос, чем. Чаще всего, антибиотиками.

Инфекции бывают двух видов: вирусные и бактериальные. Давайте, попробуем разобраться, какие антибиотики нужно применять в этих случаях.

Антибиотики против вирусов

Многие могут возразить, а как же тогда ОРВИ, острая респираторная вирусная инфекция, то, что случается с каждым из нас из года в год? Давайте рассмотрим это заболевание более подробно. Под это определение (ОРВИ) попадает и так называемая простуда, и грипп, и ангина - всего около 300 подтипов вирусов. Обычно сопровождается чиханием, кашлем, насморком, общей слабостью, головными и глазными болями. Температура не поднимается, пока вирус не ослабит иммунитет настолько, что развивается уже инфекция бактериальная, действующая по принципу «где тонко, там и рвется». Поэтому, антибиотики против вирусов здесь не борются, борются они с бактериями.

Антибиотики против бактерий

[антибиотики против бактерий] Как уже говорилось выше, антибиотики - это вещества направленные, в первую очередь на гибель или ослабление живых организмов, которыми и являются бактерии. Действие антибиотиков направленно на то, что бы вызывать нарушение у бактерий на клеточном уровне.

Вернемся еще раз к ОРВИ. И так, мы уяснили, что следует принимать антибиотики только против бактерий. Точнее болезней вызванных бактериями. И в случае с ОРВИ антибиотики помогают только тогда, когда болезнь перешла уже в бактериальную фазу. Но, бывает и так, что симптомы схожие с ОРВИ могут вызвать не вирусы, а бактерии. К сожалению, характер заражения можно определить только после сдачи анализов. И в случае, если сданные анализы подтвердят, что человек болен бактериальной формой, антибиотики будут как нельзя кстати.

Еще стоит заметить, что антибиотики хорошо борются против бактерий вызывающих кишечные нарушения, инфекции дыхательных путей, инфекции мочеполовой системы.

А между тем, попробуем вернуться к простудным заболеваниям. Что же делать? Пить антибиотики или нет? Если вы за прием антибиотиков - знайте, вы не правы. Если против антибиотиков - вы тоже не правы. Пока температура в пределах 37.5, это значит, что ваш организм борется с вирусом, вырабатывает антитела к нему, тем самым очищая от него кровь. И если сейчас принять антибиотики, то можно только навредить. Слабые антибиотики не нанесут вреда вирусу, но спровоцируют его устойчивость к этому виду антибиотиков впоследствии. Сильный же антибиотик, вместе с вирусом, убьет и ваш иммунитет, восстановить который долгий и трудоемкий процесс. С другой стороны, если не предпринимать никаких действий при развитии болезни, когда у вас высокая температура и боли в горле, то могут начаться осложнения, которые могут повредить любой орган. И тут уже без антибиотиков не обойтись.

Кроме врача никто не может назначить точную дозу препаратов, и обозначить длительность их приема. Но одно из «золотых правил» приема антибиотиков - это принимать их строго по часам и именно в той дозировке, что вам назначили, иначе есть риск, что вирус сможет выработать защиту от этого антибиотика, и вам придется переходить на более тяжелый вид препаратов. А поможет вам перенести такие виды инфекций, как ОРВИ, аскорбиновая кислота, или витамин С, который вызывает подъем уровня иммунитета и способен снизить степень тяжести болезни. Говоря обобщенно - основной принцип борьбы с легкой формой ОРВИ - это поднятие своего иммунитета.

Сколько людей, столько и мнений. Есть люди, которые абсолютно против антибиотиков, считая, что они больше вредят, чем помогают. Другие же, напротив, за прием антибиотиков по поводу и без. Правда в том, что нужно обязательно посоветоваться с врачом, так как каждая болезнь, это частный случай, требующий индивидуального подхода, и решать вопрос, «за» антибиотики, или «против», должен компетентный специалист.

Крепкого вам здоровья и сильного иммунитета.

Со времен Дарвина известно, что мир - вековая арена борьбы за существование всего живого. Смерть рано или поздно губит все, что неспособно выдержать эту борьбу, эту конкуренцию с более совершенными, более приспособленными к жизни существами. Однако, пожалуй, сам Дарвин не подозревал, что и в мире, который находится за пределами человеческого зрения, среди мельчайших живых существ, среди микробов, бушует та же вековая борьба за существование. Но кто с кем борется? Какие виды оружия используются при этом? Кто оказывается побежденным и кто победителем?

На эти и подобные им вопросы ученые нашли ответы далеко не сразу. Долгое время в распоряжении исследователей были лишь отдельные разрозненные наблюдения.

Еще в 1869 году профессор Военно-медицинской академии Вячеслав Авксентьевич Манассеин заметил, что, если на питательной среде поселилась плесень, на ней никогда не растут бактерии. В то же время другой ученый, профессор Алексей Герасимович Полотебнев, использовал на практике наблюдение своего коллеги. Он успешно лечил гнойные раны повязками с зеленой плесенью, которую соскабливал с лимонных и апельсиновых корок.

Луи Пастер заметил, что обычно бациллы сибирской язвы хорошо растут на питательном бульоне, но, если в этот бульон попадут гнилостные бактерии, они начинают быстро размножаться и "забивают" бациллы сибирской язвы.

Илья Ильич Мечников установил, что гнилостные бактерии, в свою очередь, подавляются бактериями молочнокислыми, образующими вредную для них молочную кислоту.

Известно было и еще несколько фактов такого же рода. Этого оказалось достаточно, чтобы зародилась мысль использовать борьбу микроорганизмов друг с другом в целях лечения заболеваний. Но как? И каких?

Вот если бы заглянуть в жизнь микромира, рассмотреть, что делают микробы в естественной обстановке, а не в искусственно выращенной лабораторной культуре. Ведь в одном грамме почвы, взятой где-нибудь в лесу или на огороде, содержится несколько тысяч спор плесневых грибов, несколько сотен тысяч других грибов-актиномицетов, миллионы бактерий различных видов, не говоря об амебах, инфузориях и других животных.

И, конечно, в таких тесных сообществах микробы вступают в самые различные взаимоотношения друг с другом. Здесь могут наблюдаться и случаи взаимопомощи - симбиоза, и ожесточенная борьба представителей разных микробных видов, так называемый естественный антагонизм микробов, и просто безразличное отношение друг к другу.

Но как это увидеть?!

Киев. 1930 год. Опыт за опытом ставил доцент Киевского университета Николай Григорьевич Холодный, пытаясь найти "способ изучения микроорганизмов в их естественной обстановке". Такой способ им уже найден для микробов, обитающих в водной среде. Но как рассмотреть жизнь микробов в почве?

Собрав в окрестностях Киева образцы почв, Холодный по нескольку дней не выходит из своей лаборатории. К тому же университетская лаборатория - его дом. Квартира, где Николай Григорьевич жил раньше, была разрушена артиллерийским снарядом еще в 1919 году. С тех пор qh поселился в лаборатории. Равнодушный к материальным благам и удобствам жизни, он даже считает, что устроился неплохо: можно работать в любое время суток.

Сейчас Холодный уже известный исследователь железобактерий, "крестный" нескольких дотоле науке неведомых видов из рода Лептотрикс. Пройдет несколько лет, и две его статьи, "Почвенная камера, как метод исследования микрофлоры" и "Метод непосредственного изучения почвенной микрофлоры", положат начало новому направлению в микробиологии. "Войны микробов" в их естественном состоянии станут предметом прямого изучения. Но пока пробуется один прием за другим, опыт следует за опытом. Многое из найденного Холодного не удовлетворяет, сложно. Во всех своих методических разработках он ищет простоты. Способ должен быть таким, чтобы им легко мог воспользоваться любой исследователь. Вот, например, острым ножом ученый делает вертикальный разрез в почве и вставляет в него четырехугольное стерилизованное стеклышко, стекло закапывается. Со временем оно покрывается почвенными растворами, мелкими частичками почвы, среди которых поселятся обитающие в ней микроорганизмы. Теперь остается только извлечь стекло и после специальной обработки рассмотреть его под микроскопом. Приставшие к стеклу частички почвы и микробы сохраняются в их естественном расположении, и, таким образом, можно наблюдать отдельные "кадры" из грандиозного фильма о жизни микробов в почве. Проще, кажется, не придумаешь.

Действительно, это было то, что так упорно искал Холодный. Он видел, как мир микробов жил своей бурной и тайной жизнью. Ежесекундно здесь шла ожесточенная борьба, приводящая к смерти одних обитателей и усиленному размножению других.

Теперь уже ученые знают, каким оружием пользуются различные виды микробов в своих непрекращающихся "войнах". Это не обязательно прямое уничтожение, как делают амебы и инфузории с бактериями. Очень часто микробы применяют и другие методы воздействия на своих врагов. Винные дрожжи, например, выделяют спирт, а уксуснокислые бактерии - уксусную кислоту. Такое "химическое оружие" угнетает развитие большинства других видов микробов, являясь для них ядом. Это как бы оружие против всех, кто посмеет приблизиться.

Однако в арсенале некоторых микроорганизмов встречается и оружие "персонального" прицела. Оно направлено только против некоторых видов микробов, угнетает только их и не поражает все остальные микроорганизмы. Как правило, такие вещества вырабатываются специально для нападения и защиты против микробов, с которыми первым приходится чаще всего сталкиваться в своей жизни. Вещества эти получили название антибиотиков.

Особенно много антибиотиков вырабатывают почвенные микроорганизмы. Это и понятно - ведь в почве отдельные виды микробов образуют целые скопления. Создав вокруг такого "поселения" зону антибиотической защиты, микробы находятся за ней, как за крепостной стеной. Причем она служит им не только надежной защитой, но в какой-то степени даже средством наступления, так как по мере роста колонии "крепостные стены" раздвигаются и его обитатели расширяют свои владения. Кстати, отсюда понятно, почему не вырабатывают антибиотиков водные микроорганизмы. В воде крепости не создашь, да и соседи здесь непостоянные. Тут нужно оружие против всех, кто посмеет приблизиться, - допустим, какая-нибудь кислота.

Близкое знакомство с почвенной микрофлорой показало, что почвенных микробов-антагонистов очень много и большинство из них для решения основного вопроса борьбы за существование "жить или не жить" вырабатывает антибиотические вещества, убивающие врагов.

Многолетние систематические исследования советского ученого Николая Александровича Красильникова показали, что особенно широко распространены в почве различные виды плесневых грибов и так называемые лучистые грибы - актиномицеты. И те и другие вырабатывают антибиотики.

У них это, пожалуй, единственное средство защиты против бактерий, для которых грибы являются лакомой пищей. Кстати, сами бактерии тоже вырабатывают антибиотики, но уже против почвенных амеб и инфузорий, охотящихся за ними. Этот интересный факт был впервые установлен профессором Александром Александровичем Имшенецким.

Итак, казалось бы, все просто. Микробов, вырабатывающих антибиотики, много. Остается только отобрать у них это оружие, выделить его в чистом виде и применять как лекарство против болезнетворных бактерий. Но не тут-то было!

Действительно, антибиотиков много. Так, только из почвы Подмосковья в лаборатории профессора Георгия Францевича Гаузе было выделено в чистую культуру. 556 штаммов почвенных грибов, 234 из них оказались продуцентами самых разных антибиотиков. Большая часть штаммов (56 процентов) вырабатывала противобактериальные антибиотики; 23 процента были универсалы: их антибиотики подавляли и рост бактерий и рост других грибов; остальные владели оружием лишь против своих собратьев - грибов иных видов.

Богатый набор продуцентов антибиотиков имеет и почва других мест. Однако здесь повторяется история с "магической пулей" Эрлиха: антибиотики оказываются токсичными не только для возбудителей болезней, но и для организма человека.

С одной стороны, в природе великое множество антибиотиков, но использовать в качестве лекарственных препаратов можно лишь считанные единицы. Впрочем, это стало известно уже после того, как в поиски новых средств борьбы с болезнетворными микробами вмешался случай. И хотя ученые в своей работе на случай никогда не рассчитывают, а гипотезы и пути исследований строятся, исходя из уже известных закономерностей, в истории науки можно найти немало примеров, когда дальнейшее развитие определяла счастливая случайность. Но случай не слеп. "Судьба, - как сказал Пастер, - одаривает только подготовленные умы".

Так было и на этот раз.

Несмотря на то, что медики с каждым годом совершенствуют лекарства и методики лечения, микробам удается выжить. На каждый препарат они отвечают новыми штаммами и, как кажется, готовы жить вечно. При этом некоторые из них особенно преуспели в борьбе с медицинской наукой и представляют серьезную опасность для жизни людей.

В ходе эволюции человек приобрел только одну возможность адаптироваться к опасной окружающей среде – изменять ее, делая пригодной для комфортного проживания. Однако у нас на планете есть соседи, которые избрали другой, не менее эффективный способ – изменять себя, чтобы выжить в любых, даже самых сложных условиях. Речь идет о бактериях, простейших организмах, состоящих всего из одной клетки.

Трудно поверить, но даже среди невероятных достижений человеческих технологий бактерии нашли возможность не только выжить, но и стать сильнее, опередив наши самые передовые научные разработки.

С открытием в 1928 году пенициллина люди утвердились во мнении, что бактерии как причина различных заболеваний в скором времени окончательно исчезнут. Антибиотики получили широкое распространение и действительно творили чудеса, безжалостно уничтожая патогены, внедрившиеся в человеческий организм. Однако совсем скоро бактерии доказали, что они не случайно в течение миллионов лет выживали на планете Земля.

Рис. 1. Стафилококк уютно живет на продуктах питания.

В настоящее время фармацевты и врачи всего мира участвуют в гонке «щита и меча», пытаясь разработать препараты, убивающие патогенные микробы, а те, в свою очередь, отвечают все новыми штаммами, невосприимчивыми к антибиотикам. Сегодня существует несколько видов бактерий, которые в наибольшей степени преуспели в «борьбе за выживание» и по этой причине несут серьезную угрозу жизни и здоровью человека.

Эволюционные плюсы

Возьмем, к примеру, стафилококк: неподвижная грамположительная бактерия с клеткой диаметром 0,6–1,2 мкм. Колонии этих микроорганизмов живут повсеместно, а их любимое место в организме человека – носоглотка и кожные покровы. Стафилококки могут жить в суровых условиях: выдерживать нагрев до 60 o С в течение часа, жить на бинтах до полугода, а в воспалительных процессах почти до 4 лет.

Патогенные стафилококки вырабатывают специфичные токсины , разрушающие соединительную ткань организма и препятствующие заживлению ран.

Бактериальная клетка отличается от клеток человеческого организма прочной защитной мембраной – оболочкой на основе уникальных соединений – пептидогликанов . Тысячи лет стафилококк безнаказанно проживал в человеке, пока не появился пенициллин. Он нарушает формирование клеточной стенки бактерии, блокируя образование пептидных мостиков, с помощью которых пептидогликаны объединяются в оболочку бактерии.

К сожалению, человек не первым использовал антибиотики для борьбы с бактериями: природа уже изобрела эти вещества, и некоторые микроорганизмы пользуются ими, чтобы оградить себя от конкурентов. В связи с этим у стафилококка имеется особая защита, фермент транспептидаза , который способен связываться с пенициллином и блокировать его действие.

Широкое применение препаратов на основе пенициллина активизировало и усилило действие этого защитного механизма бактерий, и они стали практически неуязвимы для безопасных (для организма человека) доз антибиотиков. Точно неизвестно, как именно бактерии передали друг другу это полезное для них качество: скорее всего, с помощью подвижных участков генов (плазмид и транспозонов) . Естественно, что бактерии, обладающие столь ценным конкурентным преимуществом, быстро распространились по всему миру.

Рис. 2. Бактерии модифицируют ферменты бета-лактамазы, чтобы эффективно простивостоять антибиотикам различных типов.

Таким образом, можно заключить, что в результате стафилококк усовершенствовал свою оборону и на основе транспептидаза создал более мощные средства борьбы с антибиотиками – бета-лактамазы . Эти ферменты эффективно связываются с пенициллином и многими другими антибиотиками и существенно осложняют лечение инфекций.

Надо отметить, что на протяжении 20 лет цефалоспориновые антибиотики, нарушающие работу бета-лактамаз, являются основным «оружием» медиков. Однако в последние годы все большее распространение имеют штаммы бактерий, которые имеют плазмидные бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС), эффективно борющиеся с цефалоспоринами. Кроме того, в основном из-за лечения тяжелых случаев пневмонии и бактериемии появились штаммы с гиперпродукцией бета-лактамазы, что требует опасного для здоровья пациента повышения доз антибиотиков. Надо отметить, что распространенность бактерий с БЛРС зависит от географического региона. Согласно исследованию, которое 10 лет назад проводилось в рамках программы MYSTIC, наибольшее в Европе распространение микробы с БРЛС имеют в России и Польше. В некоторых лечебных учреждениях процент штаммов устойчивых к цефалоспоринам превышает 90%.

MRSA

К сожалению, перед бактериями пасует даже самая богатая и современная медицина. Появившийся в 1990-х годах метициллинрезистентный стафилококк (MRSA), устойчивый к бета-лактамным антибиотикам, до сих пор убивает в год почти 20 тыс. пациентов в американских и почти 40 тыс. европейских больницах. Из-за MRSA сотни тысяч людей переживают серьезные заболевания (поражение клапанов и тканей сердца, тяжелые некротические пневмонии) и страдают осложнениями, инфекция к тому же в 2 раза увеличивает среднее время пребывания в больнице.

Рис. 3. Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых.

Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых . Ситуация усугубляется тем, что MRSA особенно комфортно чувствует себя в больницах, где находится множество людей с ослабленным иммунитетом. Медучреждения вынуждены закрываться на периодическую дезинфекцию, но бактерия выживает и во внешнем мире, а затем снова возвращается, быстро заполняя своими колониями чистые палаты и даже операционные. Наблюдается увеличение количества случаев инфицирования штаммом MRSA свиней, крупного рогатого скота и птицы, что требует от животноводов особого санитарного контроля.

Метициллинрезистентный стафилококк может бессимптомно жить в организме человека, переживая периодические курсы даже самых сильных антибиотиков. Заболевание может проявиться в случае ослабления иммунитета, а у людей с ВИЧ или прошедших курс химиотерапии и другие процедуры, подавляющие иммунитет, MRSA может вызвать серьезные осложнения, вплоть до сепсиса (заражения крови) с летальным исходом.

NDM-1

В мае 2011 года канадские врачи обнаружили у двух пожилых людей бактерию с NDM-1 – особой разновидностью гена бета-лактамазы , способной эффективно расщеплять разнообразные антибиотики. Бактерии с этим геном были впервые обнаружены в 2009 году в Индии и их часто называют «супербактериями», поскольку они справляются со всеми современными антибиотиками: цефалоспоринами , пенициллинами , карбапенемами . Кроме высокой устойчивости к лекарственным препаратам, NDM-1 выделяется тем, что переносится грамотрицательными бактериями, для борьбы с которыми в арсенале врача и так немного средств.

В настоящее время случаи распространения гена NDM-1 зафиксированы в Великобритании, Германии, Австралии, США, Нидерландах, Бельгии. Уже есть и первые умершие от этой инфекции. С сожалением приходится констатировать, что карантинные меры не помогли и опасный ген распространяется по всему миру. Существует большой риск, что NDM-1 создаст множество суперштаммов опаснейших бактерий, которых будет практически невозможно уничтожить даже самыми сильными антибиотиками. Так, бактерия MRSA с геном NDM-1 станет практически неуязвимой даже для комбинации различных антибиотиков.

Гонка вооружений

Устойчивость к антибиотикам не единственный «сюрприз», который преподносят бактерии. Обычная грамотрицательная палочковидная бактерия Escherichia coli, кишечная палочка, живущая в кишечнике любого человека, вдруг стала в Германии причиной смерти почти 40 человек, а тысячи людей попали в больницу с серьезным расстройством здоровья. Бактерия, вызывающая легкое отравление, вдруг стала причиной тяжелейшего энтерогеморрагического синдрома, приводящего к отказу почек. При этом бактерия сопротивляется воздействию антибиотиков, а источник появления инфекции определить очень сложно.

Рис. 4. Бактерия EHEC стала причиной эпидемии в Германии и смерти десятков людей

Энтерогеморрагическая E. coli (EHEC) производит веротоксины , которые поражают эндотелиальные клетки (выстилающие кровеносные сосуды) . По оценкам врачей, у 10% инфицированных EHEC могут возникать тяжелые осложнения, которые в 3–5% случаев приводят к смерти.

Таким образом, эволюция бактерий и передача полезных для них и опасных для человека генов представляет серьезную угрозу появления суперштаммов, не поддающихся лечению. Казалось бы, навсегда решенная проблема патогенных микроорганизмов вновь встает со всей остротой и превращается в одну из самых серьезных угроз, наряду с вирусными эпидемиями.

В поисках выхода

Как же навсегда избавится от бактериальных инфекций? Прививки и бактериофаги в этом плане малоэффективны – слишком много штаммов, слишком мало времени на их изучение. Однако, несмотря на приспособляемость патогенных бактерий, против них есть эффективное оружие – дезинфекция. Подавляющее большинство бактерий не выдерживают термической обработки и начинают гибнуть уже при 70 0С. Нужно стараться при возможности кипятить воду и избегать употребления в пищу сырых продуктов. Для предотвращения эпидемий сегодня используется широчайший спектр высокотехнологичных средств: от ультрафиолетовых ламп и химических веществ, до плазменных струй. Важную роль в борьбе с микробами играет широкое распространение материалов на основе серебра, в том числе и наночастиц этого металла. От него у бактерий защиты нет, однако надо помнить, что серебро может значительно снижать естественный иммунитет человека, открывая дверь другим инфекциям – вирусным.

В любом случае создать идеально стерильную окружающую среду не получится, а значит нужно искать новые антибиотики или экзотические методики, вроде генетически запрограммированных вирусов, убивающих бактерии.

Рис. 5. Наночастицы серебра эффективно убивают бактерий, но и сами не очень полезны для иммунитета человека.

Существенную помощь в борьбе с суперштаммами могли бы оказать и простые граждане – перестав бессистемно и бесконтрольно употреблять самые сильные препараты по поводу и без. Надо помнить, что самостоятельно назначая себе сильнейший антибиотик при обычном насморке, вы, возможно, создаете очередной смертоносный штамм, который станет причиной массовой эпидемии.

Бактерии в борьбе против человека берут верх, антибиотики не справляются. Ученым удалось разобраться в природном механизме уничтожения бактерий. Это поможет созданию новых классов препаратов против инфекций.

Текст: Галина Костина

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) буквально вопиет о . Глава ВОЗ Маргарет Чен на одной из недавних европейских конференций говорила, что медицина возвращается в доантибиотиковую эру. Новые лекарства практически не разрабатываются. Ресурсы исчерпаны: «Постантибиотиковая эра в действительности означает конец современной медицины , которую мы знаем. Такие распространенные состояния, как стрептококковое воспаление горла или царапина на коленке ребенка, смогут снова приводить к смерти». По данным ВОЗ, более 4 млн детей в возрасте до пяти лет ежегодно умирают от инфекционных заболеваний.

Главной проблемой становится . В Европе бьют тревогу: уровень резистентности, например, пневмонии достиг 60% — в полтора раза больше, чем четыре года назад. В последние годы пневмония и другие инфекции, вызываемые только патогенными бактериями, ежегодно уносят жизни примерно 25 тыс. европейцев.

Многие помнят нашумевшую в 2011 году историю, когда в Германии острой кишечной инфекцией заразились более 2000 человек, более 20 человек умерли, а у 600 вследствие болезни отказали почки. Причиной стала устойчивая к ряду групп антибиотиков кишечная палочка E. coli, принесенная, а затем, как выяснилось, на проростках пажитника.

По прогнозам ВОЗ, через 10-20 лет все микробы приобретут устойчивость к существующим антибиотикам. Но оружие против бактерий есть у природы. И ученые пытаются поставить его на службу медицине.

Бактериальные надсмотрщики

Бактерии долгое время считались самой многочисленной популяцией живых организмов на Земле. Однако не так давно выяснилось, что бактериофагов (бактериальных вирусов) еще больше. Немного, конечно, странная ситуация: почему же тогда фаги не изничтожили все бактерии? Как всегда, в природе все непросто. Природа устроила микромир таким образом, чтобы популяции фагов и бактерий пребывали в динамическом равновесии. Достигается это избирательностью фагов, теснотой их общения с соответствующими бактериями, способами защиты бактерий от фагов.

Считается, что фаги почти такие же древние, как и бактерии. Открыли их почти одновременно Фредерик Творт и Феликс Д’Эрель в начале XX века. Первый, правда, не рискнул обозначить их как новый класс вирусов. Зато второй методично описал вирусы дизентерийных бактерий и назвал их в 1917 году бактериофагами — пожирателями бактерий. Д’Эрель, смешивавший бактерии и вирусы, увидел, как культура бактерий буквально растворялась на глазах. И почти сразу же французский ученый стал делать попытки использования вирусов против дизентерии в детской клинике. Любопытно, что потом француз продолжил свои эксперименты в Тбилиси и открыл там институт, который занимался почти исключительно вопросами фаговой терапии.

Вслед за Д’Эрелем фагами увлеклись многие ученые и медики. Где-то их опыты были удачными и вдохновляющими, где-то провальными. Теперь это легко объяснить: бактериофаги очень избирательны, практически каждый вирус выступает против какой-то определенной бактерии, иногда даже конкретного ее штамма. Конечно, если потчевать больного не теми фагами, то лучше ему не станет.

А в 1929 году Александр Флеминг о — пенициллин, и с начала 1940-х началась эра антибиотиков. Как часто бывает, о бактериофагах практически забыли, и только в России и в Грузии продолжали потихоньку производить фаговые препараты.

Интерес к бактериофагам возродился в 1950-х, когда их стали использовать в качестве удобных модельных организмов. «Многие фундаментальные открытия в молекулярной биологии, связанные с генетическим кодом, репликацией и другими клеточными механизмами, были сделаны во многом благодаря бактериофагам», — рассказывает руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии (ИБХ) им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Константин Мирошников . Взрывное развитие микробиологии и генетики накопило огромные знания как о фагах, так и о бактериях.

Лаборатория Вадима Месянжинова ИБХ РАН, где 15 лет назад вместе работали Константин Мирошников, Михаил Шнейдер , Петр Лейман и Виктор Костюченко , занималась бактериофагами, в частности фагом Т4. «Так называемые хвостатые фаги делятся на три группы, — рассказывает Мирошников. — У одних маленький, почти символический хвостик, у других — длинный и гибкий, а у третьих — сложный, многокомпонентный сократимый хвост. Последняя группа фагов, к которой относится Т4, называется миовиридами».

На картинках Т4 напоминает фантастический летающий объект с головкой, в которой находится ДНК, с прочным хвостом и ножками — белками-сенсорами. Нащупав ножками-сенсорами подходящую бактерию, бактериофаг прикрепляется к ней, после чего наружная часть хвоста сокращается, проталкивая вперед внутренний поршень, протыкающий оболочку бактерии. За это хвост фага прозвали молекулярным шприцем. Через поршень фаг вводит в бактерию свою ДНК и ждет, когда в ней наплодится его потомство. После завершения репродуктивного цикла детки фага разрывают стенку бактерии и способны к заражению других бактерий.

на фото: Михаил Шнейдер (слева) и Константин Мирошников из ИБХ РАН («Эксперт»)

Ученые, по словам Константина Мирошникова, долго не хотели верить, что фаг использует такой примитивный метод — механическое протыкание бактерии, — ведь практически все биологические процессы построены на биохимических реакциях. Тем не менее оказалось, что так и есть. Правда, это всего лишь часть процесса. Как позже выяснилось, механически протыкается наружная оболочка бактерии — плазматическая мембрана. В составе молекулярного шприца есть фермент лизоцим, который проделывает небольшое отверстие во внутренней оболочке клетки. Наибольший интерес для ученых представлял белок «шприца» — его своеобразная игла, которая протыкает внешнюю оболочку. Оказалось, что он, в отличие от многих других белков, обладает замечательно стабильной структурой, что, видимо, необходимо для такого сильного механического воздействия.

Российские ученые вместе с коллегами из Университета Пурдью (США) построили молекулярную модель фага Т4. В дальнейшем, изучая подробности этого необычного молекулярного оружия бактериофага, ученые натолкнулись еще на одну загадку. Электронная микроскопия, выполненная Виктором Костюченко, показала, что на конце иглы есть еще один маленький белочек. И в лаборатории вновь задались вопросом: что же это за белок и зачем он нужен? Однако в то время понять это не удалось.

Один из учеников Вадима Месянжинова, Петр Лейман, работавший после ИБХ в Университете Пурдью, а затем в Швейцарском институте технологии в Лозанне (EPFL), позднее вернулся к этой теме, правда, с другой стороны — со стороны бактерий. Одним из фокусов работы новой лаборатории стали не бактериофаги, а бактерии, которые атакуют своих недружелюбных соседей при помощи машинки, очень похожей на молекулярный шприц фага. По-научному она называется системой секреции 6-го типа (СС6Т). И эта система оказалась еще более интересной.

Смерть на кончике иглы

«Система секреции шестого типа была открыта в 2006 году, — рассказывает Петр Лейман. — Однако в то время еще было не ясно, насколько она похожа на хвост бактериофага. Это открытие было сделано благодаря накопленным знаниям об отсеквенированных геномах сотен бактерий». В течение последующих трех лет исследований выяснилось, что конструктивно СС6Т — это почти то же, что и хвост бактериофага. Он также имеет внешний сокращаемый чехол, внутренний поршень и иглу с наконечником. И эта молекулярная машина пробивает дырку в оболочке бактерии.

По словам Константина Мирошникова, вполне возможно, что за миллионы лет сосуществования предприимчивая бактерия вполне могла перенять от бактериофага его оружие, для того чтобы использовать его в борьбе с другими бактериями. При этом бактерия избавилась от фаговой «головы» — чужая генетическая информация бактерии была не нужна. Зато его чудесный хвост она вставила в свой геном. Правда, бактерия его значительно модифицировала. СС6Т намного сложнее, чем молекулярный шприц бактериофага. Бактериофаг делает аккуратную дырочку, не намереваясь мгновенно убить бактерию, чтобы потом размножиться в ней. Бактерии же нужно быстро и гарантированно убить бактерию-конкурента, поэтому она сразу делает много больших дырок в теле врага.

Группа Петра Леймана в сотрудничестве с Михаилом Шнейдером из лаборатории ИБХ среди прочих задач искала в этой системе тот самый маленький белочек на конце шприца, который когда-то они увидели у бактериофага Т4. Они-то не сомневались, что он там есть и что у него должна быть важная функция в этом механизме. «Многие не верили, что на кончике иглы что-то есть и что это может быть важно, — рассказывает Петр Лейман. — А мы упорно искали. И все-таки мы его нашли!»

Ученые выяснили, что к этому маленькому белку-наконечнику могут присоединяться различные токсины, которые неминуемо убьют другую бактерию, после того как ее проткнет наконечник. В частности, выяснилось, что одним из таких токсинов может быть лизоцим, аналог того, что сидит и на молекулярном шприце фага. Но, сидя на фаге, он проделывает крохотную дырочку в клеточной стенке и не проникает внутрь бактерии, а в СС6Т он разрушает клеточную стенку бактерии, что ведет к ее гибели.

Впрочем, лизоцим не единственный токсин, который использует бактерии, их десятки и сотни. Причем, по словам Леймана, они могут проникать в чужую бактерию, как сидя на наконечнике, так и выпрыскиваясь изнутри шприца. Но и на этом хитрости не заканчиваются. Оказалось, что у бактерии есть несколько таких сменных наконечников, которые она выбирает в зависимости от того, на какого недруга собирается нападать и чем будет этого недруга потчевать. Ну и еще одна инновация бактерии: СС6Т — система не одноразовая, как молекулярный шприц бактериофага, а многоразовая. После того как она протыкает бактерию-врага и доставляет в нее токсины, та часть системы, что находится внутри нападающей клетки, распадается на элементы, из которых бактерия собирает новый «шприц» — систему СС6Т, заряженную токсинами. И снова готова к бою.

Это интересное фундаментальное открытие (посвященная ему статья опубликована недавно в Nature), однако, требует продолжения. «Пока для нас одна из самых загадочных вещей, — продолжает Лейман, — как система секреции отбирает для транспортировки сменные наконечники и токсины. У нас уже есть некоторые наработки, но мы еще в процессе». Петр Лейман не сомневается, что в ближайшие годы эти детали наконец будут прояснены. Над этим, по его словам, только в Швейцарии работают несколько лабораторий и еще десятки лабораторий во всем мире. Знание о том, как работает убийственный механизм СС6Т, может способствовать разработке нового класса лекарств, которые будут избирательно убивать болезнетворные бактерии. Медицина этого открытия очень ждет.

Время запускать фагов

Эра антибиотиков, начавшаяся в середине прошлого века и вызвавшая всеобщую эйфорию, похоже, заканчивается. И об этом предупреждал еще отец антибиотиков Флеминг. Он предполагал, что хитроумные бактерии будут все время изобретать механизмы выживания. Всякий раз, сталкиваясь с новым лекарством, бактерии словно проходят сквозь бутылочное горлышко. Выживают сильнейшие, приобретшие механизм защиты от антибиотика. Кроме того, безудержное и неконтролируемое использование антибиотиков, особенно в сельском хозяйстве, ускорило приближение конца их эры. Чем активнее применялись антибиотики, тем быстрее приспосабливались к ним бактерии. Особой проблемой стали внутрибольничные инфекции, возбудители которых чувствуют себя как дома в святая святых — стерильных отделениях клиник. Там, среди больных с ослабленным иммунитетом, даже так называемые условно-патогенные микробы, не представляющие для здорового человека никакой опасности, но приобретшие солидный спектр устойчивости к антибиотикам, становятся жестокими патогенами и добивают пациентов.

По словам Михаила Шнейдера, антибиотики, как правило, берутся из природы, как тот же пенициллин. Синтезированных антибиотиков очень мало: трудно поймать в бактериях уязвимые места, на которые можно было бы нацелиться. К тому же, сетуют медики, разработчики не очень охотно берутся за создание новых антибиотиков: мол, возни с разработками много, устойчивость к ним вырабатывается у бактерий слишком быстро, а цена на них не может быть такой высокой, как, к примеру, на антираковые препараты. По некоторым данным, к концу первого десятилетия XXI века лишь полтора десятка новых антибиотиков находились в разработках крупных компаний, да и то на очень ранних стадиях. Тут-то и стали вспоминать о природных врагах бактерий — бактериофагах, которые хороши еще и тем, что практически нетоксичны для человеческого организма.

В России терапевтические фаговые препараты делают давно. «Я держал в руках затрепанную методичку времен финской войны по применению фагов в военной медицине, фагами лечили еще до антибиотиков, — рассказывает Константин Мирошников. — В последние годы фаги широко использовали при наводнениях в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию. У нас такие препараты в промышленных масштабах много лет делает НПО "Микроген”. Но технологии их создания давно нуждаются в модернизации. И мы последние три года сотрудничаем с “Микрогеном” по этой теме».

Бактериофаги кажутся отличным оружием против бактерий. Во-первых, они высокоспецифичны: каждый фаг убивает не просто свою бактерию, но даже конкретный ее штамм. По словам Михаила Шнейдера, бактериофаги можно было бы использовать и в средствах диагностики для определения бактерий до штаммов, и в терапии: «Их можно использовать и сами по себе, и в комбинации с антибиотиками. Антибиотики хотя бы частично ослабляют бактерии. А фаги могут добить их».

Сейчас во многих лабораториях думают, как можно было бы использовать как бактериофаги, так и их компоненты против бактериальных инфекций. «В частности, американская компания Avidbiotics разрабатывает продукты на основе бактериоцинов, которые представляют собой модифицированный фаговый хвост — молекулярный шприц, направленный на уничтожение вредоносных бактерий, — рассказывает Михаил Шнейдер. — Они создали своеобразный молекулярный конструктор, у которого можно легко менять сенсорный белок, распознающий конкретную патогенную бактерию, благодаря чему можно получить много высокоспецифичных препаратов».

Сейчас в разработке компании — препараты, которые будут направлены против кишечной палочки, сальмонеллы, шигеллы и других бактерий. Кроме того, компания готовит препараты для продовольственной безопасности и заключила соглашение с компанией DuPont о создании класса антибактериальных агентов для защиты продуктов питания.

Перед Россией, казалось бы, широкая дорога для создания новых классов препаратов на основе фагов, но пока энергичных действий в этом плане не видно. «Мы не производственники, но примерно себе представляем, в какую канитель могут вылиться сертификация и внедрение современного препарата на основе фагов или бактериоцинов, — говорит Мирошников. — Ведь он должен будет пройти путь нового лекарства, а это занимает до десятка лет, потом еще нужно будет утверждать каждую деталь такого конструкторского препарата с заменяемыми частицами. Пока что мы можем давать лишь научные рекомендации, что можно было бы сделать». А в том, что делать надо, нет сомнений ни у кого из тех, кто осведомлен о катастрофе с антибиотиками.

На смену фагам вскоре могут прийти и новые технологии, которые будут использовать механизмы СС6Т. «Мы еще в процессе исследований и пока далеки от рационального использования системы секреции шестого типа, — говорит Петр Лейман. — Но я не сомневаюсь, что эти механизмы будут раскрыты. И тогда на их основе можно будет делать не только высокоспецифичные препараты против злостных бактерий, но и использовать их как средство доставки нужных организму белков, даже очень крупных, что сейчас является проблемой, а также доставки лекарств, например, в опухолевые клетки».