Фаготерапия уже клинически применяется, но для ее совершенствования ученым нужно более глубокое понимание взаимодействия бактерий и вирусов. Шаг в этом направлении сделали авторы исследования, опубликованного в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B и поддержанного Российским научным фондом.
Ненадлежащее и чрезмерное использование противомикробных препаратов при самолечении, а также в сельском хозяйстве ведет к возникновению у бактерий устойчивости к антибиотикам. Из-за этого инфекции, которые прежде сравнительно легко поддавались медикаментозному лечению, в ряде случаев оказываются опасны, в особенности для пожилых людей и пациентов из других групп риска. При этом принципиально новые антибиотики появляются в арсенале медиков крайне редко.
У этой проблемы есть неожиданное решение: когда вредоносные микробы заражают нас, мы тоже можем их заразить. Вирусами. Естественные враги микробов, бактериофаги уже используются для лечения некоторых инфекций. Такой подход называется фаготерапией.
Однако эволюция бактерий происходит довольно быстро, и у микробов появляются изощренные механизмы защиты от вирусов. Иммунитет бактерий изучается с 1960-х годов, но пока ученые понимают его не достаточно хорошо, чтобы целенаправленно снабжать бактериофаги инструментами его преодоления.
За последние 5–7 лет открыто 150 иммунных систем бактерий. Одна из них, PARIS, уже оказывалась в центре исследования научной группы из Сколтеха и теперь подверглась более детальному рассмотрению. Она работает так: заметив заражение вирусом, бактериальная клетка совершает самоубийство, чтобы остановить распространение. В частности, иммунная система разрезает собственные молекулы транспортной РНК бактерии, которые необходимы для синтеза белка. Нарушение синтеза белка делает клетку нежизнеспособной.
Некоторым вирусам удается адаптироваться к этой защите. Фаг может записать в собственном геноме и пронести в инфицированную клетку инструкцию по сборке тРНК, похожей на ту, которую бактерия разрушает с целью самоуничтожения. Таким образом вирус заставляет бактерию синтезировать «подменную тРНК», которая будет выполнять ту же функцию, что и оригинал, но достаточно от него отличается, чтобы не быть атакованной иммунитетом. В итоге зараженная клетка остается жизнеспособной.
Не все фаги несут в себе тРНК. У каких-то штаммов соответствующих генов вообще нет, другие кодируют молекулу-замену одной единственной бактериальной тРНК, а бывает, что вирус способен заменить аж 24 разные молекулы тРНК — это почти полный набор тРНК, обычно используемых кишечной палочкой. Не столь давно ученые были в замешательстве от того, зачем фаги кодируют столько, казалось бы, бесполезной для них РНК.
Первый автор исследования, аспирант программы «Науки о жизни» Сколтеха и стажер-исследователь Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха Светлана Белухина, рассказала о результатах работы: «Мы уточнили понимание того, как фаги взаимодействуют с иммунной системой PARIS. Во-первых, мы показали, что PARIS атакует не одну, а три разные тРНК. Подобным образом действуют некоторые известные токсины. Во-вторых, мы подтвердили, что замены атакованных тРНК достаточно, чтобы защитить вирус от этого иммунного ответа. Наконец, в-третьих, мы продемонстрировали, что подобное приспособление вируса — это вопрос лишь нескольких мутаций: даже среди близкородственных штаммов одного вируса, которые весьма схожи, один может нести необходимые для уклонения от PARIS подменные тРНК, а другой нет. И по одному лишь геному вируса пока нельзя сказать, есть ли у него успешная адаптация».
Результаты получены в ходе эксперимента, в рамках которого кишечную палочку инфицировали двумя близкородственными фаговыми штаммами, один из которых несет 24, а другой — 13 тРНК, а также вирусом из другого семейства, который вовсе не кодирует тРНК. Первый фаг оказался устойчив к системе PARIS, второй — нет, но становился устойчив при добавлении одной из тРНК, кодируемых первым. Третьему, не родственному фагу потребовалось искусственное добавление подменных тРНК для всех трех мишеней PARIS, чтобы сопротивляться иммунитету.
Одна из загадок, которую предстоит раскрыть в будущих исследованиях связана с еще одним из того же семейства кодирующих тРНК бактериофагов. Он тоже устойчив к системе PARIS и тоже несет 24 гена тРНК, но отличных от генов своего собрата. По невыясненной причине варианты трех молекул — мишеней PARIS от этого вируса не спасают от иммунитета другие, уязвимые фаги. Остаются неясным, почему сам этот фаг защищен от PARIS, и как всего несколько мутаций в генах тРНК могут оказывать такое сильное влияние на устойчивость вирусов к бактериальному иммунитету.