Бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии, — используют гораздо более широкий набор инструментов, чем считалось ранее. Исследователи из Центра микробной биотехнологии Ягеллонского университета обнаружили белки фагов, которые могут ранее неизвестным способом проникать сквозь защитную оболочку бактерий и разрушать её. Каждый такой механизм представляет собой потенциально новый терапевтический инструмент.
Бактериофаги существуют на Земле миллиарды лет и за это время специализировались на точном распознавании и, при необходимости, уничтожении определенных штаммов бактерий.
Интерес к бактериофагам как медицинскому инструменту растет, особенно в контексте антибиотикорезистентности — процесса, в ходе которого бактерии эволюционируют и учатся преодолевать действие антибиотиков. Устойчивые к лекарствам штаммы становятся угрозой не только при обычных инфекциях, но и во время госпитализации, хирургических операций и химиотерапии, где эффективная антибиотикотерапия может быть вопросом жизни и смерти.
Бактериофаги могут стать одним из способов решения проблемы устойчивости к антибиотикам, но для эффективного использования этих вирусов ученым необходимо сначала понять, как они работают.
Примером может служить Bacillus pneumoniae, одна из основных причин серьезных внутрибольничных инфекций. Она защищается толстой сахарной оболочкой, своего рода химической броней, представляющей собой вызов нашей иммунной системе. На помощь приходят фаги, похожие на миниатюрных механических пауков: у них есть голова, где они хранят свой генетический материал, и ноги, которыми они прикрепляются к бактериям. На кончиках этих ног находятся специализированные белки — специфические ключи, адаптированные к конкретной бактериальной оболочке. Долгое время считалось, что эти ключи существуют в одной форме: фермент, называемый деполимеразой, который физически расщепляет сахарную оболочку.
Исследование, проведенное доктором Рафалом Мостовым, профессором Малопольского центра биотехнологий Ягеллонского университета, в сотрудничестве с исследователями из Вроцлавского университета, показывает, что это неполная картина. Результаты исследования были опубликованы в журнале PLOS Biology.
«Чтобы лучше понять, как фаги распознают бактериальные оболочки, у нас возникла идея своего рода вирусной археологии. Оказалось, что бактерии часто содержат спящие вирусы — остатки прошлых инфекций, которые вместо того, чтобы уничтожить бактерию, внедрились в ее ДНК и остаются там. Мы решили их поискать. Используя методы машинного обучения, мы искали статистические связи между белками этих спящих вирусов и типом оболочки их бактериального хозяина. Другими словами, какая белковая последовательность «соответствует» какой бактериальной оболочке», — объяснил профессор Мостови.
Результаты оказались неожиданными, поскольку, помимо ожидаемых ферментов, разрушающих скорлупу, исследователи обнаружили множество новых, совершенно другой класс белков — тех, которые, вместо разрушения скорлупы, отщепляют от нее мельчайшие химические элементы.
«Представим, что бактериальная оболочка — это не гладкая стенка, а стенка, покрытая тысячами крошечных крючков. Некоторые вирусы разрушают эту стенку, в то время как другие, как мы обнаружили, незаметно отсоединяют крючки. Этого механизма достаточно, чтобы проникнуть внутрь», — объяснил профессор Мостови. «Мы начали с кода. Компьютер показал нам интересные последовательности ДНК, мы преобразовали их в настоящие белки в лаборатории, и оказалось, что они работают», — добавил он.
На практике это означает, что фаги используют гораздо более богатый набор инструментов, чем считалось ранее. Каждый вновь обнаруженный механизм распознавания бактериальных оболочек — это потенциально новый терапевтический инструмент, который можно разработать, модифицировать и направить против конкретных, устойчивых штаммов.
«Бактерии постоянно эволюционируют и меняют свои оболочки. Мы должны идти в ногу со временем. Чем больше мы знаем о том, как фаги справляются с этим разнообразием, тем лучше мы подготовлены к последующим вторжениям», — заключил профессор Рафал Мостови.
