Ирина Лагунина: Бактериофаги были открыты учеными еще в начале ХХ века во время Первой мировой войны. Этот особый тип вирусов, способных убивать бактерии, не только обладал лечебными свойствами, но сыграл важнейшую роль в фундаментальной науке. Например, на бактериофагах биологи Альфред Херши и Марта Чейз показали, что наследственность хранится именно в ДНК. А чем интересны бактериофаги сегодня? Об этом рассказывает профессор университета Ратгерса (штат Нью-Джерси), заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН Константин Северинов.
С ним беседуют Александр Марков и Ольга Орлова.
Александр Марков: Константин, расскажите сначала вкратце, кто такие бактериофаги и с чем связан интерес ученых к этим существам? Это вообще живые существа считаются или не совсем живые?
Константин Северинов: Вопрос о том, живые вирусы или нет, он довольно долго дискутировался и продолжает дискутироваться, он не очень материален. Вирусы есть, ни у кого не вызывает сомнения и они способны паразитировать на живых организмах, в частности, на бактериях. Бактериофаги - это вирусы бактерии, в переводе с греческого означает пожиратели бактерий. Они были открыты независимо во время Первой мировой войны независимо Феликсом Д Эрелем в Париже и в Эдвардом Фордом в Англии. Было показано, что это фильтрующиеся вирусы и прививаемые агенты, которые способны прививать бактерии. Собственно первооткрывателями бактериофагов был осознан их потенциал как терапевтических агентов. И здесь есть некая такая злая ирония судьбы, потому что это как раз то, для чего вирусы, бактериофаги, которые оказались непригодны или, по крайней мере, широко не используются.
Александр Марков: То есть это природные враги бактерий, которые вызывают многие болезни.
Константин Северинов: Как у Джонатана Свифта, знаете, когда он, рассуждая о том, что все друг на друге паразитируют и друг друга используют, начинают рассуждать и говорить, что у блохи есть блоха, которая на ней паразитирует. Так вот у бактерии есть еще свои паразиты, которые называются бактериофаги. Существа эти крайне маленькие, размер порядка ста нанометров по длинной оси. Один из способов осознать всю величину несоразмерности, сущности числа 10 в 31, то если вы построите цепочку из бактериофагов, ставя их один на другой, то количество, которое существует на земле бактериофаг, будет достаточно, чтобы несколько раз пересечь Солнечную систему туда и обратно.
Ольга Орлова: А что же получается, их больше чем бактерий, на которых они паразитируют?
Константин Северинов: Их больше, чем бактерий. Есть некая очень неизвестная сущность, малопонятная область - экология бактерий. Сейчас понятно, что бактериофаги в значительной степени являются движущей силой, по крайней мере, в случае водных бактерий, тех бактерий, которые живут в океане, которые вызывают смену бактерий в популяции. А происходит это ровно потому, что если бактерия сильно размножилась, то с большой вероятностью появляется бактериофаг, который на ней паразитирует. Паразитивность заключается в том, что после элементарного события заражения одной клетки бактерии бактериофагом по истечении небольшого времени наступает смерть зараженной клетки, ее содержимое вытекает наружу, а вместе с этим содержимым появляется сотня новых бактериофагов. Идет некое накопление вирусных агентов, которые благополучно всю заполонившую нишу бактерий в очень скором времени изничтожают. С другой стороны процесс бактерии при высвобождении бактериофага называется лизисом. Во время лизиса клетки происходит высвобождение большого количества органического вещества в окружающую среду, например, в морскую воду. Эта среда может использоваться как пища другими бактериями, которые опять начинают размножаться, но потом появляются бактериофаги, которые их уничтожают. Идет некая как хищник - жертва волна.
Ольга Орлова: Так значит в такой ситуации получается, что бактериофаги могут эффективно использоваться там, где нужно бороться с бактериями, в тех ситуациях и в тех сферах, это так?
Константин Северинов: Исходно собственно бактериофаги были антибиотиками до антибиотиков. Это сульфаниламидные препараты были разработаны до собственно нормальных антибиотиков типа пенициллина и бактериофаги. Например, пенициллин способен убивать массу самых разных бактерий. С бактериофагами не так, каждый бактериофаг, оказывается, как ключ к замку специфически подходит к одной какой-то бактерии.
Александр Марков: Нет каких-то более универсальных?
Константин Северинов: Нет. Можно поиграть в эволюционные игры, промоделировать и показать, почему это так, почему это хорошо. У одной бактерии может быть много бактериофагов, но при этом один бактериофаг, как правило, заражает одну бактерию, бактерию одного вида, если признать, что есть понятие бактериального вида, а может быть некоторые штаммы одного вида. Поэтому ранние терапевтические применения бактериофагов, они столкнулись с проблемой невоспроизводимости. Потому что кто-то клялся ими и говорил, что лучше бактериофагов нет ничего на свете, а кто-то говорил, что вообще не работает. Такая сумятица тянулась долго. И этому не помогло тот факт, что были не самые хорошие исследования, исследования проводились не очень четко, скажем так. А после того, как появились антибиотики, необходимость в бактериофагах отпала. Хотя, например, в России существуют до сих пор промышленные производства, которые бактериофагов производят.
Ведь слабость бактериофагов в смысле их специфичности к определенному только виду бактерий может быть и их силой. Если у вас нарушения функции кишечника, вы принимаете антибиотики, у вас наступает дисбактериоз в конечном счете, потому что все бактерии изничтожаются. В случае терапии кишечной болезни бактериофагами этого не происходит. Есть, например, такая бактерия, которая вызывает нарушения функции кишечника, если ее слишком много. И в принципе институт Габричевского производит специальный фаг, который, если верить в это, может вашу флору нормализовать без неприятных эффектов, с которыми связан не дискриминаторный характер действия антибиотиков.
Александр Марков: Вы говорите, если вы верите в это. То есть это широко не применяется в медицинской практике?
Константин Северинов: В России это применялось широко, и в основном был специальный завод и институт в Грузии, он до сих пор есть. Завода нет, институт есть, институт бактериофага имени Георгия Илиавы. В частности, в Ките для выживания советского воина в числе разных таблеток были таблетки сухого бактериофага. И грузинская армия это использовала в осетинском конфликте, в частности, и в абхазских конфликтах это использовалось тоже. Потому что большинство проблем, которые возникают во время ведения боевых действий и тысячу лет назад, и сейчас, не связаны с ранениями боевыми, а связаны с диареей, которая нападает на всю дивизию, она становится небоеспособной. На Западе никакого реального успеха такого рода терапия не получила, развития, сейчас предпринимаются какие-то усилия. Может быть надо ввести в практику. Хотя надо понимать, что существующее лобби, те же производители антибиотиков скорее всего будет противиться широкому введению бактериофагов.
Ольга Орлова: Хорошо, тогда чем же интересны бактериофаги, если мы не говорим сейчас о применении в медицине?
Константин Северинов: Они интересны, на самом деле почти вся классическая молекулярная биология, которая получила развитие в конце 40-х, 50-х, начале 60-х годов, мы к этой огромной сумме фундаментальных знаний, которые перевернули наше представление о живом, обязаны бактериофагам, потому что бактериофаги оказались замечательной модельной системой. В биологии, в отличие от физики, очень важно выбрать правильную систему. Опыты или закономерности наследования, которые обнаружил Мендель, они общие, но он их обнаружил на горошке, а не обнаружил бы на других растениях, которые, например, не самоопыляются, ему просто повезло. И с бактериофагами тоже так.
Группой физиков во главе с Максом Дельбрюком, которого ввел в биологию наш соотечественник Тимофеев-Ресовский, эта группа физиков в конце 40 годов заинтересовалась решением фундаментальной проблемы биологии о природе наследственности, и необходимо было выбрать хорошую модель. Дельбрюк почти что ультимативно сказал, что мы будем изучать бактериофагов. Они хороши, потому что сам факт количества бактериофагов после заражения, когда происходит нарастание количества потомства, означает, что вы очень эффективно можете делать генетический анализ. Они очень быстро размножаются и очень большая амплификация. Если скрестить одну муху с другой мухой, то получится 10-20 яичек через какое-то время, потом нужно ждать потомства. Мухи хороший объект в классической генетике. А бактериофагами все гораздо более эффективно. Вот их собственно заслуга с точки зрения фундаментальной науки в следующем состоит. Сальва Люрия и Макс Делбюк показали, что используя бактериофага как модельную систему, что бактерии имеют гены и эти гены могут мутировать, это был принципиальный результат, потому что мирокбиологи в нашей стране некоторые до сих пор считали, что микробы, они не такие, То есть пусть уж, ладно, есть гены у высших организмов, а микробы скорее адаптивные существа. Им поменяли среду, они поменялись еще как-то. А наследования как такового нет. То, что у них есть система наследования, не шибко отличная от системы, которая есть у высших организмов, было показано на модели бактериофагов классическим экспериментом, так называемый фруктационный тест, что дало нобелевскую премию.
Сам факт того, что ДНК является веществом наследственности, а не белок, как считалось в течение многими в 30 годах, было показано Херши и Чейз в классическом эксперименте с использованием радиоактивных меток и бактериофаг. Бактериофаг - это такой маленький мешочек, внешне он похож на шприц, есть некая головка и длинный хвостик. И головка и хвостик состоят из белка, а внутри головки находится ДНК. Эта ДНК вспрыскивается в клетку хозяев, которые специфические, с которыми взаимодействует и эта ДНК начинает выполнять свою генетическую программу. Так вот, используя радиоактивное мечение ДНК бактериофагов, Херши и Чейз показали, что именно ДНК бактериофага попадает внутрь зараженной клетки, а не белок. И это убедило всех и каждого, что ДНК есть вещество наследственности.
Ольга Орлова: То есть это великое открытие было сделано на бактериофагах?
Константин Северинов: Тот факт, что генетический код триплетен, генетический код работает трешками, то есть ДНК состоит из нуклеадитов и три нуклеатида кодируют одну аминокислоту. Это называется триплетность кода. Триплетность кода теоретически предсказал тоже наш соотечественник Гамов, а экспериментально трипледность кода была показана на модели бактериофага Френсисом Криком. Опять же на бактериофагах было показано, что ген делим. Дело в том, что гены в классической генетике, которую развивала школа Моргана, знаменитый морганизм, гены, предполагалось, что они неделима. Природа организма была неизвестна, но считалось, что гены и хромосомы - это набор генов, а гены как некие бусины на бусах. Наборы бусин могут быть разными, но сами бусины всегда одинаковы. С точки зрения генетиков, утверждение будет такое, что эти рекомбинация внутри гена будут невозможна. Реально происходило просто потому, что сила генетического анализа, мощь генетического анализа была ограничена количеством потомства, которое могли бы проанализировать, работая, например, с дрозофилами. В случае с бактериофагов таких ограничений нет. И Бейнзар в штатах показал впервые, что действительно возможна рекомбинация внутри гена, что можно тасовать участки наследственной информации внутри одного гена.
Александр Марков: Рекомбинация - это обмен участками между разными молекулами ДНК.
Константин Северинов: Рекомбинация – это секс, это когда вы обмениваетесь ДНК.
Сталкиваясь с заболеваниями, вызванными патогенными микроорганизмами, любой врач должен решить для себя вопрос, какому лекарству отдать предпочтение. Общераспространённой практикой является назначение таким пациентам антибиотиков. Однако, в связи с резко возросшей за последние десятилетия антибиотикорезистентностью, учёные обратили внимание на незаслуженно забытую группу препаратов - бактериофаги. Бактериофаги - это вирусы, поражающие бактерии. И антибиотики, и фаги воздействуют непосредственно на бактерии, но антибиотики подавляют не только патогенную, но и нормальную микрофлору, нарушая естественный баланс, в то время как бактериофаги воздействуют исключительно на патогенные микроорганизмы.  Механизм действия бактериофагов заключается в проникновении в клетки определённых, строго специфичных бактерий и взаимодействии с их геномом, что приводит к лизогенному или литическому эффекту, в зависимости от природы фага и от окружающих условий. При литическом типе инфекции бактериофаги, поразив бактерию, немедленно начинают размножаться, быстро разрушая бактериальную клетку. При лизогенном типе взаимодействия геном фага интегрируется в бактериальный геном и передается из поколения в поколение, причём, время от времени в некотором количестве клеток синтезируются вирионы, лизирующие эти клетки и выходящие затем во внешнюю среду. Такие фаги называются умеренными, а фаги, вызывающие литический эффект - вирулентными. В отдельных случаях, при освобождении из генома бактериальной клетки, умеренные фаги могут захватывать с собой бактериальные гены и передавать их другим бактериям при инфицировании. Иногда такая фаговая передача генов, например кодирующих факторы вирулентности, может приводить к трансформации непатогенных бактерий в патогенные. Кроме того, фаги могут переносить гены резистентности к антибиотикам. Первые сообщения о бактериофагах появились более 100 лет назад, а первый известный науке отчет об успешной фаготерапии был сделан в 1921 году Брийонгом и Майсином, они использовали стафилококковый бактериофаг для лечения инфекций кожи. В настоящее время препараты бактериофагов применяются при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта, органов мочеполовой системы, систем органов кровообращения, дыхания, опорно-двигательного аппарата, гнойно-септических заболеваниях новорожденных, а также при других заболеваниях, вызванных возбудителями рода Klebsiella,Escherichiae, Proteus, Pseudomonas, Staphylococcus, Streptococcus. Активно изучаются новые пути терапии, одним из которых является лечение инфекций не живыми фагами, а использование ферментов, лизирующих бактерии. Действие ферментов, как и фагов, строго специфично. Предполагается использовать их в виде назального спрея. Кроме того, разрабатываются средства личной гигиены (зубная паста), а также продукты питания (йогурт), содержащие бактериофаги. Такое применение бактериофагов направлено на снижение колонизации патогенными микроорганизмами и отвечает концепции профилактической медицины. |
