Про взаємодію бактерій із вірусами та практичну користь вивчення цього процесу для людства у відеосюжеті для вітчизняного науково-популярного медіа-ресурсу «Sciences.in.ua» розповіла молода вчена – молодший науковий співробітник відділу молекулярної генетики бактеріофагів Інституту мікробіології і вірусології імені Д.К. Заболотного НАН України кандидат біологічних наук Наталія Король.
За словами дослідниці, тіло людини складають близько 30 трлн клітин. Крім них, у нашому організмі живуть також майже 40 трлн бактерій, що населяють шлунково-кишковий тракт і поверхню шкіри. За допомогою бактерій синтезуються деякі з потрібних організмові вітамінів, а також створюється середовище з умовами, котрі запобігають розмноженню патогенної мікробіоти.
Проте значно чисельнішими об’єктами мікросвіту є особливі віруси-«вбивці» бактерій – бактеріофаги. Їх удесятеро більше: за приблизними підрахунками їхня кількість сягає 1031, що перевищує навіть кількість видимих зір у нашому Всесвіті. Бактеріофаги було відкрито близько 100 років тому двома вченими, які працювали незалежно один від одного, – британцем Фредеріком Твортом і французьким канадійцем Феліксом д’Ерелем. Відтоді вони стали супермоделями для молекулярної біології та генетичної інженерії: вивчаючи їх, науковцям вдалося відкрити й описати чимало фундаментальних процесів, що характерні для всіх біологічних систем – починаючи з вірусів і завершуючи еукаріотичними організмами.
Як пояснила Н. Король, вірус-бактеріофаг складається з білкової оболонки, в яку «упаковано» геном у вигляді молекули нуклеїнової кислоти, що містить усю генетичну інформацію про вірус. Бактеріофаг розпізнає специфічні рецептори на поверхні бактеріальної клітини і, прикріплюючись до клітинної стінки, впорскує досередини власну ДНК, яка, в свою чергу, вбудовується в геном бактерії й, фактично, бере під контроль її генетичний апарат. Унаслідок цього бактерія перетворюється на біоконтейнер – своєрідну «фабрику» з виробництва вірусних (фагових) часток, які можуть утворюватися в ній сотнями. Коли бактеріальна клітина наповнюється цими частками вщерть, відбувається лізис – «мікровибух», розрив клітинної оболонки бактерії, що супроводжується їхнім потраплянням назовні. Подальшому поширенню вірусних часток і захопленню ними нових «жертв» сприяє те, що бактерії існують не поодинці, а колоніями. Тому у вищеописаний спосіб віруси здатні знищувати цілі популяції інших клітин мікроорганізмів.
Однак такі процеси не можна вважати однозначно негативними, адже вони відіграють важливу роль в еволюції та екології мікробіоти. До того ж, дослідивши їх, людина зможе отримати значну користь, – стверджує Н. Король. Так, віруси регулюють динаміку й чисельність бактеріальних популяцій. Завдяки цьому зберігається рівновага в природних екосистемах. З іншого боку, у відповідь на атаку бактеріофага бактерія змушена напрацьовувати нові, ефективніші механізми реагування, розвиваючи власну імунну систему, щоб захиститися й виробити резистентність до вірусів. Останні ж схильні до мутацій, тому при змінах у бактеріальних клітинах вони теж адаптуються і знову нападають: «У мікроскопічному світі постійно відбувається така собі «гонка озброєнь» – війна між мікробами та їхніми вірусами».
Проте бактеріофаги можуть обирати й зовсім інший шлях взаємодії з бактеріями – так званий лізогенний цикл розвитку: за такої стратегії потрапляння фагової ДНК до внутрішнього середовища бактеріальної клітини і вбудовування в її геном не тягне за собою експресії вірусних генів. Тобто фагові білки в цьому випадку не утворюються, й, відповідно, вірусні частки не формуються. Це – латентна інфекція, і в такому стані фагова ДНК може перебувати досить довго. Особливість же цієї стратегії полягає в тому, що, разом зі своїми власними генами, бактеріофаг може привнести в бактеріальну клітину гени інших бактерій. «Цей процес дістав назву трансдукції. Його перевага полягає в тому, що бактеріофаг може виступати таким собі транспортним засобом, який від однієї бактерії до іншої може переносити, наприклад, гени стійкості до антибіотиків або підвищувати її вірулентні властивості. Спостерігаючи за цим феноменом, науковці навчилися використовувати бактеріофаги як вектори для перенесення, клонування й експресії різноманітних генів у конкретних мікроорганізмах, що має дуже широке застосування в молекулярній біології», – зазначає Н. Король.
Однак популярним об’єктом фундаментальних наукових досліджень бактеріофаги стали не одразу. Спершу вчених зацікавила саме їхня здатність убивати мікроорганізми, а отже, й потенційна придатність до використання у вигляді протимікробних засобів. Річ у тім, що бактеріофаги є надзвичайно специфічними, тобто можуть впливати лише на деякі види мікроорганізмів, – на відміну від сучасних антибіотиків широкого спектру дії, котрі знищують як патогенну, так і корисну для людини мікробіоту. З огляду на це, впродовж останніх 20 років наукова спільнота повертається до ідеї використання фаготерапії (лікування за допомогою бактеріофагів) для боротьби з патогенними мікробами. Ще один чинник, котрий у цій ситуації схиляє шальку терезів на користь фаготерапії, – це проблема втрати антибіотиками ефективності через повсюдне й надмірне застосування цих препаратів. «Сьогодні ми споживаємо антибіотики не лише для того, щоб побороти якусь інфекцію. Їх додають у корм тварин (щоб запобігти масовому поширенню інфекцій на фермах), у молочну продукцію (щоб подовжити термін її придатності), а також використовують у сільському господарстві (щоб запобігти ураженню рослин різноманітними шкідниками). Всі ці речовини з їжею потрапляють до нашого організму. І коли бактерії, котрі живуть у нашому травному тракті, взаємодіють із ними, то дуже швидко до них звикають. І відбувається утворення антибіотикорезистентних штамів, інфікування людини якими є дуже небезпечним, а лікування спричинених ними захворювань становить величезну проблему», – розповідає вчена. Через це у США, наприклад, з метою запобігання розмноженню патогенної мікробіоти в сільському господарстві й на виробництві харчових продуктів дедалі частіше застосовують фагові коктейлі. Значну кількість досліджень за цим напрямом виконують у Польщі та Грузії. Так, у Грузії впродовж багатьох років функціонує спеціальна наукова установа, що займається такими дослідженнями та розробленням фагових коктейлів, – Інститут бактеріофагів, мікробіології і вірусології імені Г. Еліава. «І хоча питань до застосування фагових препаратів у медицині сьогодні ще досить багато, роль бактеріофагів у молекулярно-генетичних дослідженнях, біотехнології та генній інженерії важко переоцінити. У відділі молекулярної генетики бактеріофагів Інституту мікробіології і вірусології НАН України під керівництвом Ф.І. Товкача ми вивчаємо генетичні особливості вірусів фітопатогенних і важливих для промисловості бактерій. І я певна, бактеріофаги ще мають чим нас здивувати. До того ж, приємно, що українські вчені не залишають цю тему без уваги і активно співпрацюють з міжнародною «фаговою» спільнотою», – наголошує Н. Король.
Відеосюжет можна переглянути за посиланням: https://youtu.be/Iep9qFtYznQ.