Одной из проблем фаготерапии является риск развития устойчивости бактерий-мишеней к бактериофагам в ходе лечения. Преодолеть это препятствие, возможно, помогут специальные «тренировки», побуждающие фагов к коэволюции с бактериями и «обучащие» фагов обходить бактериальные механизмы устойчивости

Феликс Д'Эрель еще до открытия бактериофагов был привлечен к борьбе с нашествием саранчи в Аргентине. Для уничтожения ужасных вредителей он использовал бактериальные патогены саранчи, вирулентность которых усиливал путем «коэволюционных тренировок» — многократных пассажей бактерий через организм насекомого.

Сегодня различные группы ученых пытаются применить «коэволюционные тренировки» для усиления способности фагов убивать бактерии. В основе подхода — способность фагов благодаря природным эволюционным механизмам — изменчивости и естественному отбору — преодолевать бактериальные факторы устойчивости.

Тренировка фагов заключается в их многократном пассаже через бактериальные культуры, что способствует коэволюции фагов и бактерий. Недавно в журнале PNAS была опубликована* статья, в которой тренировки фага λ значительно повысили его эффективность против E. coli. В частности, тренированные фаги использовали дополнительный рецептор во время связывания с бактерией-мишенью (нетренированные использовали только рецептор LamB, тренированные — LamB и OmpF).

При выращивании в культуральных флаконах нетренированные фаги подавляли рост бактерий в течение не более, чем нескольких дней. Устойчивость бактерий к нетренированным фагам развивалась быстро и необратимо. Тренированные фаги, наоборот, способны были подавлять бактерии в 1000 раз большей концентрации в течение по крайней мере 3 недель. Почему так происходит?

Ученые установили, что количество мутаций, возникающих в бактериях в присутствии тренированных фагов, в 100 раз ниже, чем в присутствии «диких» штаммов, то есть таких, которые не проходили процедуры тренировки. Если для формирования устойчивости к нетренированным фагам достаточно одной мутации в геноме бактерии, то тренированные требуют нескольких. При этом бактерия-мутант, которая благодаря мутациям приобрела устойчивость к фагам, платит за это более высокую цену — требует гораздо больших ресурсов для роста.

Ученые провели секвенирование тренированного фага и обнаружили рекомбинации с генами древнего профага, «спавшего» в геноме бактерии, с которой тренировали фаг. Эта рекомбинация значительно улучшила показатели роста фага λ, ведь древний фаг (который когда-то потерял часть генов и превратился в профаг) передал фагу λ новую информацию о путях инфицирования бактерии-мишени.

Изучение тренированных фагов показало, что часть из них использует один рецептор в процессе инфицирования бактерии, а часть — два. Первые были более эффективны в подавлении роста бактерий, чем нетренированные фаги, но менее эффективны, чем тренированные, использующие два рецептора.

Авторы отмечают, что преимущества тренированных фагов обусловлены несколькими комплементарными механизмами, в частности использованием нескольких рецепторов для взаимодействия с бактерией и рекомбинацией с генами профага, интегрированного в ДНК бактерии-мишени.

* Borin JM, Avrani S, Barrick JE, Petrie KL, Meyer JR. Coevolutionary phage training leads to greater bacterial suppression and delays the evolution of phage resistance / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118 (23): e2104592118. DOI: 10.1073/pnas.2104592118