Ko mēs zinām par bakteriofāgiem?

Mums ir zināms teiciens, ka viss labais – sen aizmirstais. Runājot par bakteriofāgiem gribas teikt nevis aizmirstais, bet iespējams nenovērtētais. Šodien, kad ļoti daudz runājam par antimikrobiālo rezistenci, aktualitāte ir ar ko aizvietot antibiotikas. Tad šeit noteikti var skatīties arī bakteriofāgu virzienā. Pagājušā gadsimta sākumā atklātajiem bakteriofāgiem bija milzīga loma veiksmīgos pētījumos, kas noveda pie iedzimto molekulu ķīmiskās dabas noteikšanas, ģenētiskā koda atšifrēšanas un gēnu manipulācijas tehnoloģiju radīšanas. Līdz šim šie baktēriju vīrusi ir apguvuši daudzas cilvēkiem noderīgas “profesijas”: tos izmanto ne tikai kā drošas antibakteriālas zāles, bet arī kā dezinfekcijas līdzekļus un pat par pamatu elektronisku nanoierīču radīšanai.

Fāga ir dabiska minimāla izmēra struktūra, kas satur blīvi iesaiņotu ģenētisko programmu (DNS vai RNS), kurā nav nekā lieka. Šī programma ir ievietota proteīna apvalkā, kas aprīkota ar minimālu ierīču komplektu tās ievadīšanai baktēriju šūnā. Bakteriofāgi nevar vairoties paši, un šajā ziņā tos nevar uzskatīt par pilnvērtīgiem dzīviem objektiem. To gēni sāk darboties tikai baktērijās, izmantojot baktēriju šūnā pieejamās biosintētiskās sistēmas un sintēzei nepieciešamo molekulu rezerves. Taču šo vīrusu ģenētiskās programmas principiāli neatšķiras no programmām vairāk sarežģīti organismi, tāpēc eksperimenti ar bakteriofāgiem ļāva noteikt genoma struktūras un darbības pamatprincipus. Pirmie mēģinājumi izmantot bakteriofāgus infekcijas slimības ārstēšanai tika veikti gandrīz uzreiz pēc to atklāšanas, taču zināšanu trūkums un tā laika nepilnīgās biotehnoloģijas neļāva gūt pilnīgus panākumus. Tomēr turpmākā klīniskā prakse ir parādījusi fundamentālu iespēju veiksmīgi izmantot bakteriofāgus infekcijas slimību , kuņģa-zarnu trakta infekciju , uroģenitālās sistēmas infekciju, akūtu strutojošu-septisku stāvokļu un ķirurģiskas infekcijas ārstēšanai utt.

Salīdzinot ar antibiotikām, bakteriofāgiem ir vairākas priekšrocības. Tie neizraisa blakusparādības, turklāt ir stingri specifiski noteikta veida baktērijām, tāpēc, tos lietojot, netiek traucēts organisma normālais mikrobioms. Taču arī šī augstā selektivitāte rada problēmas. Lai veiksmīgi ārstētu, ir precīzi jāzina infekcijas izraisītājs un individuāli jāizvēlas bakteriofāgs. Fāgus var lietot arī profilaktiski.              Bakteriofāgus lieto ne tikai cilvēku, bet arī mājas un lauksaimniecības dzīvnieku infekcijas slimību ārstēšanai: govīm mastītu gadījumos, teļiem un cūkām pie kolibakteriozes un esherichiozes, cāļiem salmonellozi u.c.. Īpaši ērti fāgu preparātus lietot gadījumos akvakultūra – rūpnieciski audzētu zivju un garneļu apstrādei, jo tās ilgstoši tiek uzglabātas ūdenī.

Fāgiem var būt nozīmīga loma pārtikas mikrobioloģiskās drošības uzturēšanā, jo antibiotiku un ķīmisko vielu izmantošana pārtikas rūpniecībā šo problēmu neatrisina, vienlaikus samazinot produktu videi draudzīguma līmeni. Par pašas problēmas nopietnību liecina statistika: piemēram, ASV un Krievijā ik gadu tiek reģistrēti līdz 40 tūkstošiem salmonelozes gadījumu, no kuriem 1% mirst. Šīs infekcijas izplatība ir pamatā saistīta ar  dažāda veida mājputnu gala. Mēģinājumi izmantot bakteriofāgus, lai to kontrolētu, ir devuši daudzsološus rezultātus. Tātad, amerikāņu uzņēmums Intralytix ražo fāgu preparātus listeriozes, salmonelozes un baktēriju piesārņojuma ar E. coli apkarošanai. Tie ir apstiprināti lietošanai kā piedevas, lai novērstu baktēriju vairošanos uz pārtikas – tie tiek izsmidzināti uz gaļas un putnu gaļas produktiem, kā arī uz dārzeņiem un augļiem. Eksperimenti ir parādījuši, ka bakteriofāgu kokteili var veiksmīgi izmantot dzīvu dīķa zivju transportēšanā un pārdošanā, lai samazinātu ne tikai ūdens, bet arī pašu zivju bakteriālo piesārņojumu.

Mūsdienu sintētiskās bioloģijas metodes ļauj ne tikai ieviest dažādas modifikācijas fāgu genomos, bet arī izveidot pilnīgi mākslīgus aktīvos fāgus.  Ģenētiskās modifikācijas tiek izmantotas, lai mainītu fāgu specifiku un palielinātu to efektivitāti, terapeitisko darbību. Šim nolūkam agresīvākie fāgi tiek apgādāti ar atpazīšanas struktūrām, kas tos saista ar mērķa baktērijām. Tāpat vīrusu genomos papildus tiek ievietoti gēni, kas kodē olbaltumvielas, kas ir toksiskas baktērijām un traucē vielmaiņu – šādi fāgi baktērijām ir nāvējošāki. Baktērijām ir vairāki aizsardzības mehānismi pret antibiotikām un bakteriofāgiem, no kuriem viens ir vīrusu genomu iznīcināšana restrikcijas enzīmi iedarbojoties uz specifiskām nukleotīdu sekvencēm. Lai palielinātu fāgu terapeitisko aktivitāti, ģenētiskā koda deģenerācijas dēļ ir iespējams “pārformatēt” to gēnu sekvences tā, lai līdz minimumam samazinātu pret fermentiem “jutīgo” nukleotīdu secību skaitu, vienlaikus saglabājot to gēnu sekvences. kodēšanas īpašības. Universāls veids, kā aizsargāt baktērijas no visa ārējām ietekmēm- tā saucamais biofilmas, DNS, polisaharīdu un proteīnu plēves, ko baktērijas rada kopā un kurās neiekļūst ne antibiotikas, ne terapeitiskie proteīni. Šādas bioplēves ārstiem sagādā galvassāpes, jo veicina zobu emaljas iznīcināšanu, veidojas uz implantu, katetru, mākslīgo locītavu virsmas, kā arī elpceļos, uz ādas virsmas utt. bioplēves, īpaši bakteriofāgi, kas satur gēnu, kas kodē īpašu lītisko enzīmu, kas sadala baktēriju polimērus.

Lielākā daļa baktēriju pēc šūnas sienas struktūras tiek iedalītas grampozitīvās, kuru membrāna ir pārklāta ar ļoti biezu peptidoglikānu slāni, un gramnegatīvās, kurās peptidoglikāna slānis atrodas starp divām membrānām. Dabisko endolizīnu lietošana ir īpaši efektīva grampozitīvu baktēriju (stafilokoku, streptokoku uc) gadījumā, jo to peptidoglikāna slānis atrodas ārpusē. Gramnegatīvās baktērijas (Pseudomonas aeruginosa, Salmonella, Escherichia coli u.c.) ir mazāk pieejams mērķis, jo fermentam ir jāiekļūst ārējā baktēriju membrānā, lai nokļūtu iekšējā peptidoglikāna slānī. Lai pārvarētu šo problēmu, tika radīti tā sauktie artilizīni – dabīgo endolizīnu modificētas versijas, kas satur polikatjonus vai amfipātiskus peptīdus, kas destabilizē ārējo membrānu un nodrošina endolizīna piegādi tieši peptidoglikāna slānim. Artilizīni ir ļoti baktericīdi, un jau ir pierādīts, ka tie ir efektīvi vidusauss iekaisuma ārstēšanā suņiem (Briers et al., 2014).

Mūsdienās bakteriofāgi tiek plaši izmantoti arī kā vienkāršas sistēmas proteīnu ar vēlamām īpašībām ražošanai. Mēs runājam par izstrādāto 1980. gados. ārkārtīgi efektīva molekulārās audzēšanas tehniku – fāga displejs. Šo terminu ierosināja amerikānis J. Smits, kurš pierādīja, ka uz E. coli bakteriofāgu pamata ir iespējams izveidot dzīvotspējīgu modificētu vīrusu, kura virsmā ir svešs proteīns. Šim nolūkam fāga genomā tiek ievietots attiecīgais gēns, kas ir sapludināts ar gēnu, kas kodē vienu no virsmas vīrusa proteīniem. Šādus modificētus bakteriofāgus var izolēt no maisījuma ar savvaļas tipa fāgiem, jo ​​“svešajam” proteīnam ir spēja saistīties ar specifiskām antivielām (Smith, 1985). Ar fāga displeja palīdzību tagad tiek ražoti proteīni, kas var selektīvi saistīties ar terapeitiskiem mērķiem, piemēram, parādīti uz M13 fāga virsmas, kas spēj atpazīt un mijiedarboties ar audzēja šūnām. Šo proteīnu loma fāga daļiņā ir aptvert nukleīnskābi , tāpēc tie ir labi piemēroti gēnu terapijas medikamentu radīšanai, tikai šajā gadījumā tie veido daļiņu jau ar terapeitisko nukleīnskābi. Mūsdienās ir divas galvenās fāgu displeja pielietošanas jomas. Uz peptīdiem balstīta tehnoloģija tiek izmantota, lai pētītu receptorus un kartētu antivielu saistīšanās vietas, izveidotu imunogēnus un nanovakcīnas, kā arī kartētu substrāta saistīšanās vietas fermentu proteīniem. Tehnoloģija, kuras pamatā ir olbaltumvielas un proteīnu domēni – antivielu atlasei ar vēlamajām īpašībām, proteīnu-ligandu mijiedarbības pētīšanai, komplementārās DNS ekspresēto fragmentu skrīningam un mērķtiecīgām proteīna modifikācijām. Ar fāgu displeja palīdzību ir iespējams ieviest atpazīstamas grupas visu veidu virsmas vīrusu proteīnos, kā arī galvenajā proteīnā, kas veido bakteriofāga ķermeni. Ievadot virsmas proteīnos peptīdus ar vēlamām īpašībām, var iegūt veselu virkni vērtīgu biotehnoloģisko produktu. Fāgu displeja metodoloģija ir atradusi arī pilnīgi negaidītus pielietojumus. Galu galā bakteriofāgi, pirmkārt, ir noteiktas struktūras nanoizmēra daļiņas, uz kuru virsmas atrodas olbaltumvielas, kuras, izmantojot fāgu displeju, var “nodrošināt” ar īpašībām, kas īpaši saistās ar vēlamajām molekulām. Šādas nanodaļiņas paver milzīgas iespējas radīt materiālus ar noteiktu arhitektūru un “gudrām” molekulārām nanoierīcēm, savukārt to ražošanas tehnoloģijas būs videi draudzīgas.

Pēdējie gadi iezīmējušies ar plašiem bakteriofāgu pētījumiem, kas atrod jaunus pielietojumus ne tikai terapijā, bet arī bio- un nanotehnoloģijās. To acīmredzamajam praktiskajam rezultātam vajadzētu būt jauna jaudīga personalizētās medicīnas virziena rašanās, kā arī vesela virknes tehnoloģiju radīšana pārtikas rūpniecībā, veterinārmedicīnā, lauksaimniecībā un modernu materiālu ražošanā. Mēs sagaidām, ka otrais bakteriofāgu izpētes gadsimts nesīs tikpat daudz atklājumu kā pirmais.

 Viena no bakteriofāgu lietošanas jomām ir antibakteriālā terapija, alternatīva antibiotikām. Parasti bakteriofāgu lietošana ir veiksmīgāka nekā antibiotikas, ja ir bioloģiskās membrānas, kas pārklātas ar polisaharīdiem, caur kurām antibiotikas parasti neiekļūst. Tādējādi mūsdienās no bakteriofāgiem tiek radītas un ieviestas jaunas zāles daudzu slimību ārstēšanai. Ar bakteriofāgu izpēti un izmantošanu nodarbojas bakteriologi, virusologi, bioķīmiķi, ģenētiķi, biofiziķi, molekulārie biologi, eksperimentālie onkologi, gēnu inženierijas un biotehnoloģijas speciālisti.

Raksts sagatavots, izmantojot:

1.Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķa, ķīmijas doktora, profesora, Krievijas Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Ķīmiskās bioloģijas un fundamentālās medicīnas institūta direktora Valentīna Vlasova publikācija.

2. Bakteriofāgi: bioloģija un pielietojums / Red.: E. Cutter, A. Sulakvelidze. M .: Zinātniskā pasaule. 2012. gads.

3. Stents G., Kalindars R. Molekulārā ģenētika. M .: Mir. 1974. 614 s.

4. Tikunova N.V., Morozova V.V. Fāgu displejs, kura pamatā ir pavedienveida bakteriofāgi: pieteikums rekombinanto antivielu atlasei // Acta Naturae… 2009. Nr.3. 6.–15.lpp.

5. Mc Grath S., van Sinderen D. Bakteriofāgs: ģenētika un molekulārā bioloģija. Horizon Scientific Press, 2007.