Перепрограммированные бактериофаги: сибирские ученые создают синтетические вирусы бактерий

В поисках альтернативы антибиотикам исследователи всё чаще обращаются к бактериофагам — вирусам, способным избирательно поражать бактерии. Для фаготерапии в основном используются природные бактериофаги, но у них есть недостатки. Методами синтетической биологии ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН под руководством Нины Викторовны Тикуновой получают модифицированные вирусы, которые более эффективно распознают и уничтожают опасные патогены.

По сравнению с антибиотиками, фаготерапия имеет ряд преимуществ. Бактериофаги способны распознавать и поражать практически неограниченный спектр бактерий, поскольку они используют различные белковые структуры (своего рода ножки) для распознавания и прикрепления к бактериальным клеткам. Даже если бактерия пытается ускользнуть, изменяя свои рецепторы, вирус может быстро адаптироваться и найти новые варианты рецептор-связывающих белков для обнаружения целевого патогена. Как только бактерия исчезает из организма, бактериофаг исчезает вместе с ней, так как размножаться на чем-то другом, особенно на клетках человека, он не может. Антибиотики же действуют неселективно и способны убивать многие, в том числе и полезные, бактерии в нашем организме. Кроме того, антибиотики — это малые молекулы, разнообразие структур которых ограничено. Напротив, фаги распознают целевую бактерию с помощью более крупных белковых молекул, поэтому их разнообразие несоизмеримо больше.

Сейчас для фаготерапии используют в основном природные бактериофаги, у которых есть свои минусы. Такие фаги часто являются умеренными и не лизируют (не разрушают) бактерию-хозяина. Литические природные фаги также существуют, однако они могут содержать нежелательные гены токсинов, а также могут встраиваться в геномы бактерий. Синтетические бактериофаги смогут узнавать и уничтожать бактерии более эффективно, поскольку их свойствами можно управлять, а последовательности их геномов заранее известны и не содержат нежелательных генов.

«Для того чтобы синтезировать новый бактериофаг, мы берем геномы природных вирусов, а дальше определенные гены заменяем на области генома другого бактериофага. Например, изменяем гены, которые отвечают за узнавание целевой бактерии. Так собирается итоговый геном синтетического фага, на основе которого образуются фаговые частицы с заданными свойствами. Этот процесс можно назвать мутагенезом (изменением в нуклеотидной последовательности ДНК, приводящим к мутациям), однако происходят не какие-то точечные мутации, а замена крупными блоками. С помощью такого способа получают ферменты, микроорганизмы или вирусы (как в нашем случае)», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии ИХБФМ СО РАН кандидат химических наук Иван Константинович Байков.

Благодаря этой технологии можно менять многие параметры. Первым делом исследователи выясняют, за что отвечает тот или иной ген бактериофага, и решают, что необходимо заменить. Если не учесть все особенности, новый вирус может оказаться нежизнеспособным. Для этого ученые проводят дизайн бактериофага.

Дизайн включает в себя анализ и планирование необходимых изменений в геноме, чтобы получить желаемые свойства. Например, модификации могут позволить бактериофагу распознавать более широкий спектр бактерий или разрушать биопленки. При дизайне необходимо учитывать жизненный цикл бактериофага на молекулярном уровне. Важно знать, за счет каких структур бактериофаг взаимодействует со своими клетками-хозяевами, какие процессы происходят при репликации (копировании его генетического материала) и лизисе (разрушении клетки-хозяина).

«Не менее важна информация о пространственной структуре бактериофага. При дизайне и сборке генома мы работаем с последовательностями ДНК. Поэтому, чтобы поменять какую-либо часть фага, какой-то белок или отдельный домен, необходимо выяснить, какая конкретно часть гена кодирует эту область. Только тогда мы можем менять не ген целиком, а например его половину или последнюю треть на аналогичный фрагмент от другого бактериофага и создавать тем самым химерный белок, который, с одной стороны, будет хорошо стыковаться с фаговой частицей, а с другой стороны, привнесет что-то новое в свойства фага», — прокомментировал Иван Байков.

Одним из преимуществ бактериофагов по сравнению с антибиотиками является то, что бактериофаги не затрагивают другие бактерии, кроме целевых. Однако есть и обратная сторона высокой селективности фагов — для ряда бактериальных образцов нужно отдельно конструировать новый вариант фага или подбирать уже готовый бактериофаг. Поэтому ученые заранее создают коллекцию природных вирусов бактерий наряду с синтетическими и используют ее при необходимости.

Технологию сборки синтетических бактериофагов исследователи из ИХБФМ СО РАН испытали при создании вирусов для борьбы с клебсиеллой — патогенной бактерией, многие штаммы которой устойчивы к антибиотикам, но, как правило, чувствительны к бактериофагам.

«Мы поменяли “ножки” бактериофага, специфичного к одной группе штаммов клебсиеллы, на “ножки” другого фага, переставив соответствующие гены. Тем самым у нас получились вирусы, заражающие не ту бактерию, которую они исходно инфицировали, а другой штамм. То есть перенаправили фаг с одной группы штаммов на другую группу», — пояснил ученый.

С помощью белков хвостовых шипов («ножек») бактериофаги узнают бактериальный рецептор, связываются с ним и запускают процесс инфицирования дальше, чтобы доставить свой генетический материал внутрь клетки. После этого происходит процесс размножения. Можно сказать, что «ножками» бактериофаг определяет поверхность клетки. Так, если два разных вируса узнают разные клетки, то и рецептор-связывающие белки у них, скорее всего, разные.

Всего исследователи сконструировали шесть новых бактериофагов, поражающих клебсиеллу. Эти вирусы размножаются интенсивнее, чем исходные, и уничтожают патогенные бактерии результативнее.

«Редактирование геномов бактериофагов — это инструмент, технология. А области применения могут быть разные. С одной стороны, мы пробуем создавать фаги, которые бы более эффективно подавляли рост бактерий. Уже сейчас нужно задумываться над внедрением этой технологии в практику. С другой стороны, редактирование геномов позволяет более детально изучать роль как отдельных фаговых генов и соответствующих белков, так и их взаимодействие в контексте целого фага, а также на уровне взаимодействия фаг — клетка», — подытожил Иван Байков.

Исследование поддержано грантом РНФ 24-24-00553 «Управление специфичностью клебсиельных бактериофагов методами синтетической биологии».

Ирина Баранова, Наука в Сибири

Источник: vk.com

Комментарии: