Однією із проблем фаготерапії є ризик розвитку стійкості бактерій-мішеней до бактеріофагів під час лікування. Подолати цю перешкоду, можливо, допоможуть спеціальні «тренування», що спонукають фагів до коеволюції з бактеріями і «навчають» фагів оминати бактеріальні механізми стійкості

Фелікс Д'Ерель ще до відкриття бактеріофагів було залучено до боротьби з навалою сарани в Аргентині. Для знищення жахливих шкідників він використовував бактеріальні патогени сарани, вірулентність яких посилював шляхом коеволюційних тренувань — багаторазових пасажів бактерій через організм комахи.

Сьогодні різні групи вчених намагаються застосувати коеволюційні тренування для посилення здатності фагів вбивати бактерії. В основі підходу – здатність фагів завдяки природним еволюційним механізмам – мінливості та природному добору – долати бактеріальні фактори стійкості.

Тренування фагів полягає в їхньому багаторазовому пасажі через бактеріальні культури, що сприяє коеволюції фагів і бактерій. Нещодавно в журналі PNAS була опублікована стаття, в якій тренування фага λ значно підвищили його ефективність проти E. coli . Зокрема, треновані фаги використовували додатковий рецептор під час зв'язування з бактерією-мішенню (нетреновані використовували тільки рецептор LamB, треновані LamB і OmpF).

При вирощуванні в культуральних флаконах нетреновані фаги пригнічували зростання бактерій протягом не більше, ніж за кілька днів. Стійкість бактерій до нетренованих фагів розвивалася швидко і необоротно. Треновані фаги, навпаки, здатні були придушувати бактерії у 1000 разів більшої концентрації протягом принаймні 3 тижнів. Чому так відбувається?

Вчені встановили, що кількість мутацій, що виникають у бактеріях у присутності тренованих фагів, у 100 разів нижча, ніж у присутності «диких» штамів, тобто таких, що не проходили процедури тренування. Якщо для формування стійкості до нетренованих фагів достатньо однієї мутації в геномі бактерії, то треновані вимагають кількох. При цьому бактерія-мутант, яка завдяки мутаціям набула стійкості до фагів, платить за це вищу ціну — потребує значно більших ресурсів для зростання.

Вчені провели секвенування тренованого фага та виявили рекомбінації з генами стародавнього профагу, який «спав» у геномі бактерії, з якою тренували фаг. Ця рекомбінація значно покращила показники зростання фага λ, адже древній фаг (який колись втратив частину генів і перетворився на профаг) передав фагу λ нову інформацію про шляхи інфікування бактерії-мішені.

Вивчення тренованих фагів показало, що частина їх використовує один рецептор у процесі інфікування бактерії, а частина — два. Перші були більш ефективні придушенні росту бактерій, ніж нетреновані фаги, але менш ефективні, ніж треновані, що використовують два рецептори.

Автори відзначають, що переваги тренованих фагів обумовлені кількома комплементарними механізмами, зокрема використанням кількох рецепторів для взаємодії з бактерією та рекомбінацією з генами профагу, інтегрованого в ДНК бактерії-мішені.

* Borin JM, Avrani S, Barrick JE, Petrie KL, Meyer JR. Coevolutionary phage training leads до великого bacterial suppression і розв'язати evolution phage resistance / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118 (23): e2104592118. DOI: 10.1073/pnas.2104592118