Завантаження...

Вчені навчилися швидко змінювати специфічність бактеріофагів

 

Вчені з Масачусетського технологічного інституту (МІТ) запропонували нову стратегію швидкого одержання фагопрепаратів для боротьби з різними штамами патогенних бактерій*

Бактеріофаги (фаги) останнім часом притягують все більше уваги через здатність вбивати патогенні бактерії, проти яких безсилі антимікробні засоби – бактерії із множинною антибіотикорезистентністю. Механізми дії антибіотиків та бактеріофагів принципово відрізняються, та в багатьох випадках доцільно застосовувати їх разом.

Бактеріофаги діють дуже специфічно – один штам бактеріофагів здатний знищувати представників одного виду, кількох штамів або навіть одного штаму бактерій. З одного боку, така спрямована дія є перевагою фагів перед антибіотиками, які знищують в організмі як шкідливі, так і корисні бактерії. Але, з іншого боку, у випадках тяжких інфекцій, спричинених стійкими мікроорганізмами, пошук специфічного фага та швидке виготовлення фагопрепарату можуть бути проблематичним. Вчені з МІТ зробили важливий крок до вирішення цього питання. Вони навчилися швидко отримувати бактеріофаги, здатні вбивати різні штами кишкової палички Escherichia coli. Для цього вони викликають мутації у фаговому гені, що кодує білок, який зв’язується з бактерією-мішенню. В результаті фаг змінює специфічність та починає зв’язуватися з іншими штамами кишкової палички. Крім того, завдяки цим мутаціям, бактерії з меншою ймовірністю розвивають стійкість до фагів.

Американська агенція з контролю харчових продуктів та лікарських засобів (FDA) схвалила низку препаратів бактеріофагів для використання у харчовій промисловості (для обробки продуктів). Але в медичній практиці США та Європи фагопрепарати використовують обмежено, зокрема через те, що не до кінця розроблена процедура схвалення подібних біопрепаратів, які треба спеціально швидко створюватися для конкретного хворого.

Допомогти у вирішенні цієї проблеми може методика, розроблена вченими з МІТ під керівництвом Kevin Yehl та Sebastien Lemire. Вони створили універсальну вірусну «заготовку» («scaffold»), яку можна легко «налаштувати» для розпізнавання та атаки проти того чи іншого штаму бактерії-мішені або для подолання механізмів фагорезистентності, що виникають у бактерій.

В 2015 р. дослідники використали фаг із родини Т7 з природною здатністю вбивати E.coli та показали, що можуть запрограмувати його нищити різні штами кишкової палички шляхом певних перестановок в генах, що кодують нитки хвостового відростку – білки, відповідальні за розпізнавання та взаємодію з поверхнею бактеріальних клітин. Тепер вчені пропонують* стратегію, яка дозволяє швидко створювати та тестувати значно більшу кількість варіантів модифікованих бактеріофагів.

Раніше було встановлена вторинна структура білкових ниток на хвостовому відростку фага. Виявилося, що вони представляють собою фрагменти бета-складок, поєднаних петлями. Вчені припустили, що амінокислотні залишки, розташовані в петлях, (а петлі, як відомо, часто «стирчать» на поверхні білкової молекули) важливі для розпізнавання бактерій-мішеней, але мінімально впливають на просторову структуру нитки бактеріофага. Ось ці залишки, що розташовані в петлях, і були піддані систематичним мутаціям.

Дослідники створили фаги з приблизно 10 млн різноманітних ниток та випробували їх на кишковій паличці, що була стійка до природного бактеріофага. Деякі модифіковані фаги успішно знищували штами E. coli, стійки до природних бактеріофагів.

Розуміння молекулярних механізмів взаємодії бактеріофагів та бактерій із використанням сучасних біоінженерних підходів допомогло створити величезну бібліотеку різних варіантів бактеріофагів, кожен з яких потенційно може розпізнавати різні рецептори на поверхні E. coli. Також важливо, що на відміну від фаготерапії єдиним штамом бактеріофага, одночасне застосування багатьох фагів із бібліотеки різко знижує ймовірність розвитку у бактерій резистентності до лікування.

Автори роботи, яка в жовтні 2019 р. вийде в журналі Cell*, планують створити фагові «заготовки» і для інших патогенних бактерій.

* 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