Завантаження...

Ученые научились быстро изменять специфичность бактериофагов

 

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) предложили новую стратегию быстрого получения фагопрепаратов для борьбы с различными штаммами патогенных бактерий

Бактериофаги (фаги) в последнее время привлекают все больше внимания из-за способности убивать патогенные бактерии, против которых бессильны антимикробные средства – бактерии с множественной антибиотикорезистентностью. Механизмы действия антибиотиков и бактериофагов принципиально различаются, и во многих случаях целесообразно их совместное применение.

Бактериофаги действуют очень специфично – один штамм бактериофагов способен уничтожать представителей одного вида, нескольких штаммов или даже одного штамма бактерий. С одной стороны, такая узкая направленность действия является преимуществом фагов перед антибиотиками, которые уничтожают в организме как вредные, так и полезные бактерии. Но, с другой стороны, в случаях тяжелых инфекций, вызванных устойчивыми микроорганизмами, поиск специфического фага и быстрое изготовление фагопрепарата могут быть проблематичным. Ученые из МIТ сделали важный шаг к решению этого вопроса. Они научились быстро получать бактериофаги, способные убивать разные штаммы кишечной палочки Escherichia coli. Для этого они вызывают мутацию в фаговом гене, кодирующем белок, который связывается с бактерией-мишенью. В результате фаг меняет специфичность и начинает распознавать другие штаммы кишечной палочки. Кроме того, благодаря этим мутациям, у бактерий с меньшей вероятностью развивается устойчивость к фагам.

Американское агентство по контролю пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) одобрило ряд препаратов бактериофагов для использования в пищевой промышленности (для обработки продуктов). Но в медицинской практике США и Европы фагопрепараты используют ограниченно, в частности из-за того, что не до конца разработана процедура регистрации подобных биопрепаратов, которые нужно специально создаваться для конкретных пациентов.

Помочь в решении этой проблемы может методика, разработанная учеными из МИТ под руководством Kevin Yehl и Sebastien Lemire. Они создали универсальную вирусную «заготовку» («scaffold»), которую можно легко «настроить» для распознавания и атаки против того или иного штамма бактерии-мишени или для преодоления механизмов фагорезистентности, возникающих у бактерий.

В 2015 г. исследователи использовали фаг из семьи Т7 с естественной способностью убивать E.coli и показали, что могут запрограммировать его уничтожать различные штаммы кишечной палочки путем определенных перестановок в генах, кодирующих нити хвостового отростка - белки, ответственные за распознавание и взаимодействие с поверхностью бактериальных клеток. Теперь ученые предлагают* стратегию, которая позволяет быстро создавать и тестировать значительно большее количество вариантов модифицированных бактериофагов.

Ранее было установлено вторичная структура белковых нитей на хвостовом отростка фага. Оказалось, что они представляют собой фрагменты бета-складок, соединенных петлями. Ученые предположили, что аминокислотные остатки, расположенные в петлях (а петли, как известно, часто «торчат» на поверхности белковой молекулы) важны для распознавания бактерий-мишеней, но минимально влияют на пространственную структуру нити бактериофага. Вот эти остатки, расположенные в петлях, и были подвергнуты систематическим мутациям.

Исследователи создали фаги с примерно 10 млн различных нитей и испытали их на кишечной палочке, которая была устойчива к естественному бактериофага. Некоторые модифицированные фаги успешно уничтожали штаммы E. coli, стойки к естественным бактериофагов.

Понимание молекулярных механизмов взаимодействия бактериофагов и бактерий с использованием современных биоинженерных подходов помогло создать огромную библиотеку различных вариантов бактериофагов, каждый из которых потенциально может распознавать различные рецепторы на поверхности E. coli. Также важно, что в отличие от фаготерапии единственным штаммом бактериофага, одновременное применение различных фагов из библиотеки резко снижает вероятность развития у бактерий резистентности к лечению.

Авторы работы, которая в октябре 2019 выйдет в журнале Cell*, планируют создать фаговые «заготовки» и для других патогенных бактерий.

* Yehl K, Lemire S, Yang AC et al. Engineering Phage Host-Range and Suppressing Bacterial Resistance through Phage Tail Fiber Mutagenesis // Cell, 2019, 179 (2): 459-469.E9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.015