В борьбе с устойчивостью к антибиотикам многие ученые пытаются использовать встречающиеся в природе вирусы, называемые бактериофагами, которые могут заражать и убивать бактерии.
Бактериофаги убивают бактерии с помощью других механизмов, чем антибиотики, и они могут воздействовать на определенные штаммы, что делает их привлекательным вариантом для потенциального преодоления множественной лекарственной устойчивости. Однако быстрый поиск и оптимизация четко определенных бактериофагов для использования против бактериальной мишени является сложной задачей.
В новом исследовании инженеры-биологи Массачусетского технологического института показали, что они могут быстро запрограммировать бактериофаги на уничтожение различных штаммов кишечной палочки путем внесения мутаций в вирусный белок, который связывается с клетками-хозяевами. Исследователи обнаружили, что эти искусственные бактериофаги с меньшей вероятностью вызывают резистентность у бактерий.
«Сейчас мы все чаще видим в новостях, что бактериальная резистентность продолжает развиваться и становится все более проблематичной для общественного здравоохранения», - говорит Тимоти Лу, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института. биологическая инженерия. «Фаги представляют собой совершенно иной способ уничтожения бактерий, чем антибиотики, которые дополняют антибиотики, а не пытаются их заменить».
Исследователи создали несколько модифицированных фагов, способных уничтожать кишечную палочку, выращенную в лаборатории. Один из недавно созданных фагов также смог устранить два штамма кишечной палочки, устойчивых к встречающимся в природе фагам, из кожной инфекции у мышей.
Лу - старший автор исследования, опубликованного в выпуске Cell от 3 октября. Постдоктор Массачусетского технологического института Кевин Йель и бывший постдок Себастьен Лемир являются ведущими авторами статьи.
Искусственно созданные вирусы
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило несколько бактериофагов для уничтожения вредных бактерий в пищевых продуктах, но они не нашли широкого применения для лечения инфекций, потому что поиск встречающихся в природе фагов, нацеленных на нужные виды бактерий, может быть трудным и трудоемкий процесс.
Чтобы упростить разработку таких методов лечения, лаборатория Лу работает над созданием модифицированных вирусных «каркасов», которые можно легко переназначить для воздействия на различные бактериальные штаммы или различные механизмы резистентности.
«Мы думаем, что фаги - хороший инструмент для уничтожения и снижения уровня бактерий внутри сложной экосистемы, но целенаправленно», - говорит Лу.
В 2015 году исследователи использовали фаг из семейства T7, который естественным образом убивает кишечную палочку.coli, и показали, что они могут запрограммировать его на другие бактерии, заменив различные гены, кодирующие отростки хвоста - белок, который бактериофаги используют для фиксации на рецепторах на поверхности клеток-хозяев..
Хотя этот подход действительно работал, исследователи хотели найти способ ускорить процесс адаптации фагов к определенному типу бактерий. В своем новом исследовании они разработали стратегию, которая позволяет им быстро создавать и тестировать гораздо большее количество вариантов хвостовых волокон.
Из предыдущих исследований структуры хвостовых волокон исследователи знали, что белок состоит из сегментов, называемых бета-листами, которые соединены петлями. Они решили попробовать систематически мутировать только те аминокислоты, которые образуют петли, сохраняя при этом структуру бета-листа.
«Мы идентифицировали области, которые, по нашему мнению, окажут минимальное влияние на структуру белка, но смогут изменить его связывающее взаимодействие с бактериями», - говорит Йель.
Они создали фаги примерно с 10 000 000 различных хвостовых волокон и протестировали их против нескольких штаммов E. coli, которые эволюционировали и стали устойчивыми к неинженерным бактериофагам. Одним из способов, которым E. coli может стать устойчивым к бактериофагам, является мутация рецепторов «ЛПС» таким образом, чтобы они были укорочены или отсутствовали, но команда Массачусетского технологического института обнаружила, что некоторые из их сконструированных фагов могут убивать даже штаммы кишечной палочки с мутированным или отсутствующим ЛПС. рецепторы.
Другие цели
Лу и Йель теперь планируют применить этот подход к другим механизмам резистентности, используемым E. coli, и они также надеются разработать фаги, которые могут убивать другие типы вредных бактерий. «Это только начало, так как есть много других вирусных каркасов и бактерий, на которые нужно нацелиться», - говорит Йель. 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 избирательного воздействия на эти бесполезные штаммы может дать нам много преимуществ с точки зрения клинических результатов у людей», - говорит Лу.
Исследование финансировалось Агентством по уменьшению угрозы обороны, Национальными институтами здравоохранения, Исследовательской лабораторией армии США/Армейским исследовательским бюро через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, а также грантом Института Коха (основной) от Национальный институт рака.