Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Надежды и рекламные обещания, что фаговая терапия покончит с бактериальными болезнями, к середине 1930-х не смогли воплотиться, а все свидетельства ее действенности были скомпрометированы недостаточной стандартизованностью материалов {258} 258 Cairns, J., Gunther Stent, and James Watson. Phage and the Origins of Molecular Biology . Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007, стр. 5. . В это десятилетие Американская медицинская ассоциация выступала с уничтожающей критикой этого метода {259} 259 Editorial, “Limitations of bacteriophage therapy.” JAMA 1931; 96, стр. 693. Editorial, “Commercial aspects of bacteriophage therapy.” JAMA 1933; 100, стр. 1603–1604. , но фаги, дежащие на границе живого и неживого, продолжали манить фундаментальных исследователей. В знак важности этой работы Альфред Херши и Сальвадор Лурия, сосредоточившись на основах биологической репликации и тем самым на наследственности, даже учредили вместе с Максом Дельбрюком «Церковь Фага».

Во время Второй мировой войны фаготерапия использовалась в армиях Советского Союза и Германии, но с окончанием войны и бумом антибиотиков она, как и все «коммунистические штучки», стала выглядеть на Западе чем-то подозрительным {260} 260 Summers, William C. “The Strange History of Phage Therapy.” Bacteriophage 2:2, 2012, стр. 130–133. . Один из адептов дельбрюковской «церкви» Гюнтер Штент писал в 1963 году, что «странная глава в истории медицины о терапии бактериофагами теперь может с полным основанием считаться завершенной. Но почему бактериофаги, столь смертоносные для бактерий in vitro , оказались такими бессильными in vivo , так и не было адекватно объяснено» {261} 261 Stent, G. S. Molecular Biology of Bacterial Viruses . San Francisco and London: W. H. Freeman, 1963, стр. 8–9. .

Одна причина в том, что история фаготерапии – как в значительной мере и история почти чего угодно, что бы вы ни взяли, – «полна политики, личной вражды и негласных конфликтов» {262} 262 Summers, William C. “The Strange History of Phage Therapy.” Bacteriophage 2:2, 2012, стр. 130–133. . Но более важная причина в том, что ей, чтобы стать по-настоящему действенной терапией, пришлось ждать пришествия современных научных методов. К счастью, к тому времени, как в 1991 году развалился СССР, институт Элиава все еще поставлял фагов обретшей независимость Грузии, и значительная работа была проделана в Институте иммунологии и экспериментальной терапии Людвика Хиршфельда в польском городе Вроцлаве. Сегодня, когда микробы продолжают обходить нас в гонке вооружений, очень много исследователей – включая мою команду – по-новому оценивают пользу фагов в борьбе с инфекциями {263} 263 Gravitz, Lauren. “Turning a new phage.” Nature Medicine 18, 2012, стр. 1318–1320. DOI: 10.1038/nm0912–1318 .

В отличие от обычных антибиотиков, способных причинять побочный вред, убивая в наших телах множество «дружественных» бактерий, помогающих переваривать пищу, фаги, словно молекулярные «умные бомбы», нацелены только на один или на небольшое число линий или штаммов бактерий. Мы теперь знаем в подробностях, как эти машины убийства микробов могут с хирургической точностью атаковать один вид бактерий. Возьмем для примера фаг T4, который изучали многие пионеры этой области, от Макса Дельбрюка и Сальвадора Лурия до Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика. 169 000 оснований его генома содержат все необходимые инструкции для заражения и разрушения микроба E. coli .

По сравнению с другими фагами фаг T4 – крупный (около 90 нанометров в ширину и 200 в длину) и выглядит как крохотный космический спускаемый аппарат, с «ножками», которые прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности клетки E. coli , и с пустотелым хвостом, который может впрыскивать свою программу в бактерию. (Только недавно было открыто, что T4 может пронзать клеточную мембрану шипом с железным наконечником {264} 264 Browning, Christopher, Mikhail Shneider, Valorie Bowman, David Schwarzer, and Petr Leiman. “Phage Pierces the Host Cell Membrane with the Iron-Loaded Spike.” Structure , Vol. 20, Issue 2, 8 февраля 2012, стр. 326–339. .) Хотя впрыснутая ДНК сильно отличается от хозяйской, ее текст написан на том же самом языке, так что бактерия-мишень выполняет инструкции по постройке фага, по ходу дела убивая себя. После изготовления сотни-полутора фагов бактерия взрывается, выпуская орду новеньких фагов в окружающую среду.

Как и в случае с антибиотиками, клетки могут мутировать и в результате выживать и приобретать резистентность к фагам {265} 265 Zahid, M. S., S. M. Udden, A. S. Faruque, S. B. Calderwood, J. J. Mekalanos, et al. (2008). “Effect of phage on the infectivity of Vibrio cholerae and emergence of genetic variants.” Infect. Immun. 76: стр. 5266–5273. Marx, Jean. “New Bacterial Defense Against Phage Invaders Identified.” Science 23, март 2007, 315 (5819), стр. 1650–1651. . Кроме того, человек быстро избавляется от фагов в кровяном русле. Но фаги в самом деле могут стать интересной альтернативой антибиотикам. Все те фаги, которые использовались в терапии до сего дня, были выделены из окружающей среды, в том числе из нечистот, и наука была ограничена спектром природных фагов. Однако с нашими новыми инструментами синтеза и сборки ДНК мы могли бы конструировать и синтезировать три сотни новых фагов в день или синтезировать более пяти тысяч новых вариаций на тему любой последовательности. Эти уникальные возможности позволяют нам проверить и реализовать мечту д’Эреля.

Эти технологии сделают возможным полный и быстрый цикл создания бактериофага: выделение, характеристику, перекомпоновку и эволюционную доводку. В перспективе это позволит собрать библиотеки оптимизированных терапевтических фагов для клинического использования в борьбе с супервозбудителями. Как мы показали на phi X 174 , отбор на заразность – когда бактерия-мишень услужливо множит наиболее подходящих для ее заражения фагов – это очень мощный инструмент, который позволяет легко и с высокой пропускной способностью отбирать новосинтезированные фаги на желательные признаки широкого или сфокусированного спектра действия.

Возможно, в будущем мы сможем секвенировать инфекционный агент от каждого пациента, чтобы идентифицировать микроба-мишень и быстро разработать индивидуальную фаговую терапию. Новый фаг может быть тут же отправлен пациенту или в лечебное учреждение с помощью телепортационной технологии, которую я описывал. Синтетические фаги также могут быть устроены так, чтобы быть максимально эффективными. Например, они могут быть сконструированы так, чтобы поражать белки и генетические схемы супервозбудителей иным образом, нежели традиционные лекарства, и применяться как отдельно, так и в сочетании с антибиотиками. Мы уверены, что сможем сделать более мощные версии могучей антибактериальной машины убийства, называемой эндолизином [30] Этот белковый комплекс часто называют просто «лизин» ( lysin ), но в русском переводе такое название создало бы путаницу, поскольку точно так же называется одна из штатных аминокислот ( lysine ). , который помогает фагу вырываться из зараженной клетки. Один эндолизин, именуемый PlyC (стрептококковый C1 фаговый эндолизин) и убивающий бактерий быстрее, чем хлорка, состоит из девяти белковых частей, собранных в форму, похожую на летающую тарелку, которая сцепляется с оболочкой бактерии, используя восемь отдельных участков прикрепления, расположенных на одной стороне тарелки {266} 266 McGowan, Sheena, Ashley M. Buckle, Michael S. Mitchell, James T. Hoopes, D. Travis Gallagher, Ryan D. Heselpoth, Yang Shen, Cyril F. Reboul, Ruby H. P. Law, Vincent A. Fischetti, James C. Whisstock and Daniel C. Nelson. “X-ray crystal structure of the streptococcal specific phage lysin PlyC.” PNAS , 17 июля 2012. . Две «боеголовки» PlyC прогрызают клеточную стенку, убивая бактерию и выпуская фага. Таким образом эндолизины управляются со многими грам-положительными патогенами, такими как S. aureus, S. pneumoniae, E. faecalis, E. faecium, B. anthracis и стрептококки группы B.