Вчені з Массачусетського технологічного інституту (MIT) запропонували нову стратегію швидкого отримання фагопрепаратів для боротьби з різними штамами патогенних бактерій

Бактеріофаги (фаги) останнім часом привертають все більше уваги через здатність вбивати патогенні бактерії, проти яких безсили антимікробні засоби - бактерії з множинною антибіотикорезистентністю. Механізми дії антибіотиків та бактеріофагів принципово різняться, і в багатьох випадках доцільно їхнє спільне застосування.

Бактеріофаги діють дуже специфічно – один штам бактеріофагів здатний знищувати представників одного виду, кількох штамів чи навіть одного штаму бактерій. З одного боку, така вузька спрямованість дії є перевагою фагів перед антибіотиками, які знищують як шкідливі, так і корисні бактерії в організмі. Але, з іншого боку, у випадках важких інфекцій, викликаних стійкими мікроорганізмами, пошук специфічного фага та швидке виготовлення фагопрепарату можуть бути проблематичними. Вчені з МІТ зробили важливий крок до вирішення цього питання. Вони навчилися швидко отримувати бактеріофаги, здатні вбивати різні штами кишкової палички Escherichia coli . Для цього вони викликають мутацію у фаговому гені, що кодує білок, що зв'язується з бактерією-мішенню. В результаті фаг змінює специфічність і починає розпізнавати інші штами кишкової палички. Крім того, завдяки цим мутаціям, у бактерій з меншою ймовірністю розвивається стійкість до фагів.

Американське агентство з контролю харчових продуктів та лікарських засобів (FDA) схвалило низку препаратів бактеріофагів для використання у харчовій промисловості (для обробки продуктів). Але в медичній практиці США та Європи фагопрепарати використовують обмежено, зокрема через те, що не до кінця розроблено процедуру реєстрації таких біопрепаратів, які потрібно спеціально створювати для конкретних пацієнтів.

Допомогти у вирішенні цієї проблеми може методика, розроблена вченими з МІТ під керівництвом Kevin Yehl та Sebastien Lemire. Вони створили універсальну вірусну "заготівлю" ("scaffold"), яку можна легко "налаштувати" для розпізнавання та атаки проти того чи іншого штаму бактерії-мішені або для подолання механізмів фагорезистентності, що виникають у бактерій.

У 2015 р. дослідники використовували фаг із сім'ї Т7 з природною здатністю вбивати E.coli та показали, що можуть запрограмувати його знищувати різні штами кишкової палички шляхом певних перестановок у генах, що кодують нитки хвостового відростка – білки, відповідальні за розпізнавання та взаємодію з поверхнею бактеріальних. Тепер вчені пропонують стратегію, яка дозволяє швидко створювати і тестувати значно більшу кількість варіантів модифікованих бактеріофагів.

Раніше було встановлено вторинну структуру білкових ниток на хвостовому відростку фага. Виявилося, що вони є фрагментами бета-складок, з'єднаних петлями. Вчені припустили, що амінокислотні залишки, розташовані в петлях (а петлі, як відомо, часто стирчать на поверхні білкової молекули) важливі для розпізнавання бактерій-мішеней, але мінімально впливають на просторову структуру нитки бактеріофага. Ось ці залишки, розташовані в петлях, і були піддані систематичним мутаціям.

Дослідники створили фаги з приблизно 10 млн. різних ниток і випробували їх на кишковій паличці, яка була стійка до природного бактеріофага. Деякі модифіковані фаги успішно знищували штами E. coli , стійкі до природних бактеріофагів.

Розуміння молекулярних механізмів взаємодії бактеріофагів та бактерій із використанням сучасних біоінженерних підходів допомогло створити величезну бібліотеку різних варіантів бактеріофагів, кожен з яких потенційно може розпізнавати різні рецептори на поверхні E. coli . Також важливо, що на відміну від фаготерапії єдиним штамом бактеріофага одночасне застосування різних фагів з бібліотеки різко знижує ймовірність розвитку у бактерій резистентності до лікування.

Автори роботи, яка в жовтні 2019 року вийде в журналі Cell*, планують створити фагові «заготівлі» і для інших патогенних бактерій.

* Yehl K, Lemire S, Yang AC та ін. Engineering Phage Host-Range and Suppressing Bacterial Resistance через Phage Tail Fiber Mutagenesis // Cell, 2019, 179(2): 459-469.E9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.015