Какую пользу могут принести вирусы, уничтожающие бактерии – бактериофаги? В чем заключается специфика исследований этих организмов и как функционируют системы защиты бактерий, их «врагов»? Специалисты лаборатории анализа метагеномов Сколтеха утверждают, что бактериофагов – самая многочисленная форма жизни на планете, и отмечают, что их взаимоотношения с бактериями-хозяевами нередко напоминают «гонку вооружений». Обо всем этом – в нашей беседе со старшим преподавателем Сколтеха, биологом Артемом Исаевым.
Справка: Артем Борисович Исаев ― кандидат биологических наук, старший преподаватель, руководитель лаборатории анализа метагеномов и заведующий лабораторией микробной иммунологии Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха, руководитель проекта РНФ «Основы выявления вирусной инфекции бактериальными системами противовирусного иммунитета, основанными на абортивных подходах».
― Что такое бактериофаги и какую пользу они способны принести?
― Бактериофаги — это организмы, которые питаются бактериями и разрушают их клетки в процессе своего развития. Если говорить более простыми словами, то это вирусы, поражающие бактерии. В природе встречаются и вирусы, инфицирующие архей, однако сегодня мы их не рассматриваем.
Бактериофаги являются частью более общей категории, которую определяют термином «мобильные генетические элементы» (участки хромосом или внехромосомные элементы, способные перемещаться по геному либо создавать собственные копии. ― Примеч. ред.). Фаги – это одна из разновидностей мобильных генетических элементов. За пределами бактериальной клетки они способны оберегать свою ДНК с помощью белковой оболочки, называемой капсидом. Определенные фаги передаются между клетками горизонтально, не вызывая их гибель. Есть также мобильные генетические элементы, которые не являются автономными: для поддержания жизни и распространения они используют ресурсы других мобильных генетических элементов и способны паразитировать на фагах. Бактериофаги сами по себе вызывают большой интерес у исследователей. Помимо этого, они могут быть полезны в лечении бактериальных инфекций.
― Где обитают такие вирусы?
― Их можно найти повсеместно. Практически невозможно назвать уголок планеты, где бы их не существовало. В одном миллилитре океанической воды может находиться до миллиарда фаговых частиц, что значительно превышает количество даже самых распространенных бактерий в природе.
В организме человека бактериофаги обнаруживаются повсеместно, однако наибольшая их концентрация наблюдается в кишечнике. Именно здесь сформировалась устойчивая экосистема, состоящая из стабильного микробного сообщества бактерий, сосуществующего с набором вирусов – метавиромом. Эти вирусы инфицируют бактерии, поддерживая экологические взаимосвязи и обеспечивая определенный баланс.
― Достигнут ли такой, можно сказать, безупречный баланс благодаря их совместной и продолжительной эволюции? И как может проявиться сбой в этой системе?
― Вирусы – неизбежная составляющая жизни. Если бы мы рассматривали не Землю, а другую планету, то, вероятно, и там возникли бы паразитические формы, использующие ресурсы полноценных клеточных организмов. Вирусы возникают спонтанно в любой системе репликаторов – то есть молекул, способных к самокопированию. По крайней мере, так утверждают математические модели, изучающие репликаторы: они демонстрируют тенденцию к вырождению и появлению подобных «агентов», которые не стремятся к полному кодированию необходимых ресурсов, а предпочитают использовать ресурсы более развитых форм жизни.
Они, в определенной степени, приспособлены друг к другу и к среде внутри человеческого организма. Однако, этот баланс может быть нарушен под влиянием неблагоприятных внешних факторов. Ярким примером является коронавирус: при переходе к новому носителю вирус становится менее предсказуемым. Отсутствие адаптации может привести к тому, что он нанесет больший ущерб, чем необходимо для его стабильного существования. В перспективе такая тактика может оказаться невыгодной для вируса, поскольку полное уничтожение бактерий, от которых он зависит, приведет к лишению его ресурса и, как следствие, к исчезновению. Поэтому представляет большой интерес вопрос о механизмах, обеспечивающих этот хрупкий и постоянно меняющийся баланс, при котором вирусы и бактерии, несмотря на постоянную борьбу, сосуществуют. Возможно, этот баланс поддерживается за счет разделения организма на различные экологические зоны. Даже если рассматривать кишечник, становится очевидно, что это неоднородная среда.
На экспрессию генов клеток влияют различные факторы, что приводит к формированию уникальных экологических микросред. В определенных условиях бактерии становятся более восприимчивыми к вирусной инфекции, в то время как в других – обладают защитой. Переход бактерий между этими состояниями происходит непрерывно. Экологические ниши также могут формироваться в результате накопления мутаций: бактерии способны быстро приобретать мутации, повышающие их устойчивость к вирусам. Однако, при отсутствии вируса в окружающей среде, эти же мутации могут оказывать негативное воздействие на бактерии.
― Биомасса бактерий и архей на планете сопоставима с биомассой всех остальных живых организмов, и, вероятно, даже превышает её. Но вирусов оказалось больше, чем бактерий?
― Действительно, популяция бактерий на Земле огромна. По биомассе они превосходят все остальные формы жизни, однако вирусов еще больше. При этом средний размер генома вирусов в 100 раз меньше, чем у бактерий, хотя встречаются и исключения, такие как джамбофаги. В некоторых случаях геном этих вирусов по объему превосходит геном некоторых бактерий. Забавно, что именно вирусы стали «изобретателями» ядра!
― Значит, возможно, именно вирусы впервые породили ядро на Земле?
― Это тема, требующая детального рассмотрения, поэтому дать точный ответ затруднительно, однако белки, составляющие ядро фагов, имеют определенное сходство с белками цитоскелета. Джамбофаги изучены недостаточно, поскольку исторически ученые проводили исследования в лабораториях, где работали с вирусами, которые легче всего найти и выделить, в отличие от этих крупных бактериофагов. Некоторые из них не вызывают гибель зараженной клетки, поэтому долгое время оставались незамеченными. В основном внимание уделялось наиболее агрессивным фагам, приводящим к очевидному лизису (гибели) бактериальной культуры. Но даже если не рассматривать джамбофагов, то наши знания и о других вирусах не так уж обширны.
― Возможно ли применение бактериофагов в лечении заболеваний человека?
― Это предмет обсуждений. Если говорить кратко, то ответ утвердительный. Более развернутый ответ также положительный, однако это сопряжено с существенными трудностями. В настоящее время бактериофаги, применяемые в качестве лекарственных средств, можно приобрести в аптеках, но их эффективность вызывает множество вопросов. В лабораторных условиях всегда возможно подобрать условия эксперимента, при которых произойдет гибель любой бактерии под воздействием бактериофага. То есть, если нам известно, какой патоген присутствует в организме человека и вызывает заболевание, мы можем найти фаг, который будет воздействовать именно на этого патогена, и при этом, скорее всего, это не вызовет нежелательных побочных эффектов. Но проблема заключается в том, что разнообразие этих патогенов, вариантов штаммов, поистине огромно! Я уже отмечал, что бактерии постоянно мутируют. Если взять, к примеру, хорошо знакомую кишечную палочку, то у нее существует более 150 вариантов устройства клеточных стенок или капсул, которые продуцируют эти бактерии, или каких-то поверхностных структур. Таким образом, для эффективного воздействия на одну только кишечную палочку потребуется минимум 150 вирусов. Поэтому часто формируются так называемые фаговые коктейли, представляющие собой смесь множества бактериофагов, которые воздействуют на циркулирующие в популяции штаммы патогенов. Однако мы никогда не сможем гарантировать, что патоген у конкретного пациента будет чувствителен хотя бы к одному из этих фагов. По разным причинам может возникать устойчивость к ним. В этом отношении применение антибиотиков значительно проще: они оказывают эффект «ковровой бомбардировки», полностью уничтожая все бактерии, в то время как фаговая терапия – это таргетное воздействие и больше подходит в качестве средства персонализированной медицины, где лечение подбирается индивидуально для каждого пациента.
― Устойчивость бактерий к вирусам, возможно, не так выражена, как в случае с воздействием других бактерий?
― Нет. Она проявляется с той же периодичностью, что и в ситуации с антибиотиками. И факторы, вызывающие ее, имеют схожий характер. Прежде всего, это изменения в структуре белков-рецепторов, которые нарушают взаимодействие с вирусом. Вследствие этого фаг теряет способность идентифицировать бактерию, и она приобретает полную устойчивость. Возникновение подобных мутантных форм практически неизбежно. Однако такие мутанты могут оказаться менее конкурентоспособными, и в условиях активной борьбы за ресурсы с другими бактериями они могут быть вытеснены. Подобные мутации, как правило, не дают преимущества, поэтому не распространяются в популяции. Проблема мутаций рецепторов в принципе может быть преодолена путем применения смеси фагов, способных распознавать различные рецепторы. Для этого необходимо четко знать, какие фаги используются, их специфичность к рецепторам и чувствительность к иммунным системам. Ещё одна причина развития резистентности бактерий к антибиотикам и вирусам – приобретение генов устойчивости, которые передаются горизонтально, то есть от одного штамма бактерии к другому посредством плазмид ( дополнительных факторов наследственности, расположенных в бактериальных клетках вне хромосом и представляющих собой замкнутые или линейные молекулы ДНК. ― Примеч. ред. ). Изучение генов, обеспечивающих устойчивость к бактериофагам, является одним из ключевых направлений работы нашей лаборатории, занимающейся изучением микробной иммунологии. Фактически, это иммунные системы бактерий, и они обладают огромным разнообразием. Мы начали осознавать масштаб этого разнообразия лишь недавно. На сегодняшний день ученые выявили свыше 300 различных типов таких систем, однако, вероятно, это лишь малая часть общего числа. Для эффективного воздействия фагов необходимо глубокое понимание механизмов защиты бактерий от них, что делает данную область исследований чрезвычайно значимой.
― Можете ли вы рассказать о конкретном примере серьезного заболевания, при лечении которого применялись бактериофаги?
― Муковисцидоз – это генетически обусловленное хроническое заболевание, при котором в легких скапливается слизь, создавая благоприятную среду для развития бактерий. Это часто приводит к летальному исходу из-за вторичных бактериальных инфекций, несмотря на генетическую природу самой болезни. При муковисцидозе в мокроте нередко выявляют синегнойную палочку. В настоящее время ученые во всем мире активно исследуют возможность использования бактериофагов для борьбы с ней. Недавно вышла достаточно качественная научная работа, в этом месте был продемонстрирован подобный терапевтический подход, и здесь же были проведены начальные клинические испытания на ограниченной группе пациентов. Если удастся расширить применение этого метода, станет ясно, эффективны ли бактериофаги в таком формате.
― Что касается иммунных систем бактерий: когда-то ваша лаборатория была единственной в мире, где проводились исследования одной из таких систем, которую называют BREX. Эти исследования продолжаются?
― В 2015 году, когда я, будучи студентом магистратуры Сколтеха, начал исследование иммунных систем бактерий (под руководством К.В. Северинова), эта область не пользовалась широкой известностью. Тогда с помощью биоинформатических методов была идентифицирована первая подобная система, получившая название BREX. Мы продолжаем работу с ней и сегодня. Интересно, что ее первоначально обнаружили еще в 1980 году в Советском Союзе. Однако публикации, посвященные этому вопросу, не вызвали заметного интереса у мирового научного сообщества, так как они были размещены не в международных, а в советских изданиях. Примерно через три десятилетия эту тему вновь подняли, что вызвало широкий резонанс в биологической науке. В настоящее время она пользуется большой популярностью. Однако для исследователя может быть ценно найти область, которая пока не получила достаточного внимания.
― Совместная эволюция вирусов и бактерий напоминает постоянную гонку вооружений. Как исследователям удается отслеживать эти изменения?
― Я считаю, что эта эволюционная борьба за выживание – наиболее захватывающая тема для изучения, и она имеет первостепенное значение для исследований, осуществляемых в нашей лаборатории. Если у бактерий существует более трехсот иммунных систем, то вирусам, вероятно, необходимо обладать антииммунными механизмами в десять раз большим количестве. Фаги находятся в состоянии коэволюции с бактериями, и любое нововведение, повышающее их шансы на выживание, немедленно обеспечивает существенное преимущество над соперниками – как бактериальными, так и другими фагами. Следовательно, обе воюющие стороны не способны сохранять неизменность. Как только одна из них разрабатывает новую эффективную стратегию, это приводит к вытеснению менее совершенных предшественников. Это особенно актуально в контексте фаговой терапии. Мы могли бы уберечь фагов от воздействия иммунных систем бактерий путем изменения их генетического материала и внедрения в него генов, способствующих заражению бактериальных клеток.
Понимание того, какие фаговые белки определяют распознавание бактериальных клеток и с какими рецепторами они взаимодействуют, позволит нам направлять бактериофаг на конкретную бактерию в организме. Возможно внедрение в бактериофаг генов, обеспечивающих защиту от бактериальных иммунных систем. Представляя себе будущее, мы можем создать библиотеки бактериофагов и использовать не один фаг, а иметь смесь, содержащую сотни миллиардов частиц с разнообразными рецепторами и генами устойчивости к бактериальному иммунитету.
― В настоящее время основное внимание в моей научной деятельности уделяется изучению?
― В настоящее время кажется, что, опираясь на мировой научный опыт и международное научное сообщество, мы способны справиться с практически любой задачей в нашей сфере. Если возникает значимый вопрос, то, вероятно, со временем будет найден и способ его решения. В исследовании бактериального иммунитета широко применяются структурные исследования. Мы выявляем структуры иммунных и вирусных белков, которые взаимодействуют с бактериальными клетками и стимулируют иммунную систему бактерий. Это дает возможность понять атомную структуру изучаемых объектов и тонкости их взаимодействия.
Я всегда проявлял интерес к функциям генов, чьи роли остаются невыясненными, так называемой «темной материи» генома, что сопоставимо с неизученной темной материей во Вселенной. В биологии наблюдается схожая картина: детально проанализировано лишь небольшое количество модельных вирусов, таких как Т7, лямбда и Т4. Однако, природное разнообразие вирусов огромно, а их эволюция происходит с поразительной скоростью, в результате чего около 80% генов, содержащихся в вирусных геномах, остаются неизвестными. Поиск решения этой задачи становится возможным благодаря развитию методов выявления гомологии белков, позволяющих, путём сравнения трехмерной структуры различных, в том числе ранее нехарактеризованных вирусных белков, приблизительно прогнозировать их функции.
Да, мы воссоздаем эти системы в лабораторных условиях (выделяя отдельные белки, наблюдая за их взаимодействием и так далее), однако мы не можем быть абсолютно уверены, что эти процессы происходят точно так же и в живой клетке. На мой взгляд, углубленное изучение функционирования клетки, пораженной вирусом, может стать следующим значимым этапом в нашей исследовательской работе.