Бактериофаги: альтернатива антибиотикам, которая спасет мир

  В последнее время в медицине все чаще возникает опасение снижения эффективности антибиотиков. В 2007 году ВОЗ опубликовала Глобальную стратегию по сдерживанию устойчивости к противомикробным препаратам. В её тексте есть такие строки: «Без согласованных действий всех стран многие великие открытия, сделанные учёными-медиками за последние 50 лет, могут утратить своё значение из-за распространения антибиотикорезистентности». Означает ли это, что мы в скором времени вновь окажемся бессильны перед бактериями? Существуют ли альтернативные подходы к борьбе с инфекционными заболеваниями? К счастью, да. Один из них — применение бактериофагов, самых многочисленных, древних и распространённых на нашей планете вирусов, существующих на Земле свыше 3 млрд лет и неоправданно заброшенных исследователями в 1960—1970-е годы на фоне успехов антибиотикотерапии.
  Сразу отмечу, что антибиотики воздействуют на бактериальную инфекцию, на вирусы они не действуют, поэтому, как я понимаю, лечить простуду антибиотиками весьма дорогое и бесполезное занятие.
  Обнаружили их к концу 19 века, а активное изучения началось после первой мировой войны. Само понятия бактериофага дал в 1917 году канадский бактериолог Феликс Д’Эрелль. При изучения смеси патогенных бактерий он обнаружил, что в субстрате одного штамма бактерий убивает другой, и после тщательной фильтрации, отсеивающей бактерии, фильтрат не теряет своих бактерицидных свойств, даже после много кратной фильтрации. Это натолкнуло его на мысль о существовании вируса убивающего бактерии.
  В западной медицине к 40-м годам начали утрачивать интерес к бактериофагам, а окончательно потеряли к ним интерес после открытия и активного применения антибиотиков в 60-е.

Происхождение

  Есть две теории происхождения бактериофагов: вирусная и регрессивная.
Вирусная теория говорит о происхождении бактериофагов от древних вирусов, но проверить это к сожалению крайне сложно в виду отсутствия ископаемых вирусов.
  На данный момент специалисты придерживаются регрессивной теории происхождения бактерифагов, так как она лучше вписывается в современную модель биологии. А заключается она в том, что бактериофаги произошли от бактерий, утративших ненужные для существования в паразитической форме части. Кто-то придерживается гипотезы, что они произошли от аппарата размножения бактерий, что отчасти подтверждается сильным отличием отдельных фагов друг от друга и большим сходством с хозяином, в котором они развиваются и их способность переносит генетическую информацию (так называемый горизонтальный перенос генов).

Строение и классификация

  Понимание строения бактериофагов стало возможным только после создания первых электронным микроскопов. Существует два типа классификации бактерифаогов основанная на их морфологии: наша, предложена А.С. Тихоненко в 1968 году, и не наша Д. Брэдли). На картинке можно её увидеть.

Большинство фагов состоит из головки диаметром 45—140 нм и отростка («хвоста») толщиной 10—40 нм и длиной 100—200 нм. Содержимое головки состоит преимущественно из плотно упакованной молекулы ДНК или (реже) РНК, длина которой во много раз превышает размеры головки и достигает 60—70 мкм, и иногда небольшого количества белка — например, ферментов, которые осуществляют первичную транскрипцию генетического материала фага или способствуют ей. Капсид (головка) представляет собой белковую или липопротеиновую оболочку, собранную из множества копий одного или двух белков. Отросток — это белковая трубка, окружённая у ряда бактериофагов чехлом, состоящим из сократительных белков, подобных мышечным, благодаря чему он способен сокращаться, обнажая часть стержня. С головкой отросток стыкуется с помощью белкового кольца («воротничка»). На противоположном конце, в основании, отросток содержит лизоцим (как домен белка, пронзающего клеточную стенку), служащий для точечного растворения пептидогликана. Там же у фагов такого типа имеется гексагональная базальная пластинка с несколькими шиповидными выростами и тонкими длинными нитями, с помощью которых фаг распознаёт рецепторы «своих» бактерий и прикрепляется к ним. Нитевидные фаги имеют размеры 8 - 800 нм и лишены выраженных «органов».

1 — головка, 2 — хвост, 3 — нуклеиновая кислота, 4 — капсид, 5 — «воротничок», 6 — белковый чехол хвоста, 7 — фибрилла хвоста, 8 — шипы, 9 — базальная пластинка
Бактериофаги довольно устойчивы к воздействию различных химических и физических факторов. Они выдерживают колебания кислотности среды (рН) в пределах 5,0—8,0, действие холодных водных растворов глицерина (до −200оС) и этанола, а также цианидов, фторидов, динитрофенола, хлороформа, тимола и фенола. Но разрушаются при кипячении, УФ-облучении, действии некоторых химических дезинфектантов.

Фаги кушают бактерии

  Так как бактериофаги не имеют вырабатывать энергию и не могут сами синтезировать белки они являются паразитами бактерий.

Важное свойство бактериофагов — их специфичность: они могут поражать только определённый вид бактерий (моновалентные фаги) или же избранные штаммы/варианты внутри вида (типовые фаги; например, фаги V. Cholerae classica и El Tor), но некоторые поражают бактерии разных видов и даже родов (поливалентные фаги).

  Попав в бактерию в зависимости от типа фага, может задействован один из способов существования. Первый для вирулентных фагов неконтролируемого захватить контроль над хозяином и начать синтез новых вирионов, после чего они покидают клетку бактерии, которая в этот момент разрушается из-за большого числа отверстий в клеточной мембране. Количество новых фагов будет зависеть от его типа и может сильно варьироваться.
  Второй вариант остаться в хозяина скопировать себя в его ДНК и передавая его потомству хозяина– это профаги или умеренные фаги.
  Если бактериофаги так легко атакуют бактерии, то почему они полностью не истребили их? В упрощённой форме ответ звучит так, у бактерий вырабатывается против бактериофагов иммунитет. Это либо исчезновение рецепторов к тем или иным видам бактероифагов в следствие мутаций. Также присутствие профагов в клетке бактерии будет препятствовать проникновению новых, эдакая, конкурентная борьба внутри видов. И самое интересное это наличие системы распознавания вредителей и уничтожением не опознанных ДНК. Вот этот механизм крайне популярен среди специалистов генной инженерии открывший им до этого небывалые возможности. Этот механизм идеален для простых систем, но сейчас ещё не пригоден для редактирования таких сложных геномов как человеческий. Это отметили первооткрыватели данного метода редактирования ДНК в 2017 г.

Микрофотографии лизиса бактерии и отдельного фага. Видно как через разрушенную клеточную стенку бактерии покидают новые фаги.
  В 2005 году стало известно, что функциональная основа бактериального иммунитета — система CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). Двумя годами позже выяснилось, что для её работы критически важен белок Cas (от англ. CRISPR associated protein — CRISPR-ассоциированный белок, используется бактерией для запоминания, последующей проверки и разрезания чужеродной ДНК). Работа системы CRISPR-Cas основана на том, что небольшой фрагмент, вырезанный из проникшей в бактериальную клетку фаговой ДНК, вставляется в специальный участок генома бактерии. Каждый такой участок содержит множество вставок-спейсеров, разделённых особыми короткими нуклеотидными повторами, представляющими собой фрагменты ДНК встреченных когда-либо фагов и плазмид. На основе спейсеров синтезируются молекулы РНК, комплементарные соответствующему участку фагового (или плазмидного) генома. Эти РНК в комплексе с белками Cas затем опознают и обезвреживают мишень — чужеродную ДНК с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Таким образом, если в клетку однажды проникла фаговая ДНК, но клетка выжила и встроила фрагмент чужеродного генома в свой нуклеоид, то последующие попытки таких же фагов эксплуатировать клетку или её потомков будут неэффективны.
  Тем не менее, как приспосабливаются бактерии, так и вслед за ними меняются и бактериофаги, что обеспечивает непрерывную эволюцию данных «организмов».
  Использование бактериофагом в медицине началось в 20-х годах прошлого века. В период второй мировой войны советские ученые создали препарат на основе 19 видов бактериофагов. Это было одним из самых масштабных применений их в медицине, по оценке специалистов, одного только противохолерного бактериофага в 1943 году ежедневно принимало до 50 тысяч человек.

На данный момент в России зарегистрировано и производится 13 фаговых препаратов. Западная медицина, как уже упоминалось, c середины ХХ века практически отказалась от их использования в терапевтических целях. Однако в последние годы в связи с тревожной динамикой распространения внутрибольничных инфекций, устойчивых к большинству известных антибиотиков, многие биотехнологические компании сделали резкий поворот к изучению возможности разработки лекарств на основе бактериофагов. Но для создания эффективных препаратов необходимы коллекция вирусов-фагов, действующих на клинически значимые штаммы возбудителей, и соответствующий опыт их применения, чем эти компании пока не располагают.

  США к 2023 намерены начать продажи фаговых препаратов. Их сотрудничество с НИИ бактериофагов, микробиологии и вирусологии в Тбилиси было начато в начале 2000-х.

Выводы:

Даже, если мир признает неэффективность антибиотических препаратов, природа нам подарила замечательных бактериофагов, которые спасут нас от антибиотикорезистентности бактерий. Бактериофаги также как и бактерии активно эволюционируют, что позволяет избежать возникновения стойких ко всему бактерий.