В новом исследовании ученые из Массачусетского технологического института (MIT) запрограммировали бактериофаги на уничтожение различных штаммов кишечной палочки путем мутаций в вирусном белке, который связывается с клетками-хозяевами. Исследователи обнаружили, что эти инженерные бактериофаги также реже вызывают резистентность бактерий. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Cell.
Введение
Создавая геномы бактериофага, ученые разрабатывают новое оружие для борьбы с инфекцией.
Актуальность проблемы
В борьбе с устойчивостью к антибиотикам многие ученые пытаются внедрить встречающиеся в природе вирусы, называемые бактериофагами, которые могут заражать и убивать бактерии. Бактериофаги убивают бактерии с помощью механизмов, отличных от антибиотиков, и они могут воздействовать на определенные штаммы, что делает их привлекательным вариантом для потенциального преодоления множественной лекарственной устойчивости. Тем не менее, быстрый поиск и оптимизация четко определенных бактериофагов для использования против бактериальной мишени является сложной задачей.
«Как мы видим в новостях все больше и больше, устойчивость бактерий продолжает развиваться и становится все более проблематичной для общественного здравоохранения», — комментирует автор исследования Тимоти Лу (Timothy K. Lu). «Бактериофаги представляют собой совершенно иной способ уничтожения бактерий, чем антибиотики, которые дополняют антибиотики, а не пытаются заменить их».
Инженерные вирусы
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило несколько бактериофагов для уничтожения вредных бактерий в пище, но они не получили широкого применения для лечения инфекций, поскольку обнаружение встречающихся в природе фагов, нацеленных на нужные виды бактерий, может быть трудным и длительным процессом.
«Мы считаем, что фаги являются хорошим набором инструментов для уничтожения и снижения уровней бактерий в сложной экосистеме, но целенаправленно», — объясняет Лу.
В 2015 году исследователи использовали фаг из семейства T7, который естественным образом убивает E.coli, и показали, что они могут запрограммировать его для нацеливания на другие бактерии путем замены различных генов, кодирующих хвостовые волокна, белки, которые бактериофаги используют для фиксации к рецепторам на поверхности клеток-хозяев. Хотя этот метод работал эффективно, исследователи хотели найти способ ускорить процесс адаптации фагов к определенному типу бактерий.
Материалы и методы обследования
Исследователи создали несколько сконструированных бактериофагов, которые могли убивать кишечную палочку, выращенную в лаборатории. Один из вновь созданных фагов также смог убить 2 штамма E. coli, устойчивых к природным фагам, из кожной инфекции у мышей.
Чтобы облегчить разработку таких методов лечения, лаборатория Лу работает над созданием вирусных «скаффолдов», которые можно легко перенастроить для воздействия на разные штаммы бактерий или разные механизмы устойчивости.
Результаты научной работы
В своем новом исследовании ученые разработали стратегию, которая позволяет им быстро создавать и тестировать гораздо большее количество вариантов хвостовых волокон. Из предыдущих исследований структуры хвостового волокна исследователи знали, что белок состоит из сегментов, называемых бета-листами, которые связаны петлями. Ученые решили попытаться систематически мутировать только те аминокислоты, которые образуют петли, сохраняя при этом структуру бета-листа.
«Мы определили области, которые, по нашему мнению, будут иметь минимальное влияние на структуру белка, но смогут изменить его связывающее взаимодействие с бактериями», — объясняет Лу.
Ученые создали фаги с примерно 10000000 различными хвостовыми волокнами и протестировали их на нескольких штаммах кишечной палочки, которые оказались устойчивыми к неинженерному бактериофагу. Одним из способов, благодаря которому кишечная палочка может стать устойчивой к бактериофагам, является мутация рецепторов LPS с тем, чтобы они укорачивались или отсутствовали, но ученые обнаружили, что некоторые из их сконструированных фагов могут убивать даже штаммы кишечной палочки с мутированными или отсутствующими рецепторами LPS.
Другие цели
Ученые планируют применить этот метод для нацеливания на другие механизмы устойчивости, используемые E. coli, и также надеются разработать фаги, которые могут убивать другие виды вредных бактерий. Исследователи также заинтересованы в использовании бактериофагов в качестве инструмента для борьбы с определенными штаммами бактерий, которые живут в кишечнике человека и вызывают проблемы со здоровьем.
«Возможность избирательно поражать эти непроизводительные штаммы может дать нам много преимуществ с точки зрения клинических исходов у людей», — резюмирует Лу.
Авторы другого исследования утверждают, что исследователи изучают устойчивость к Бедаквилину.
