Фаг - это вирус, проникающий в бактериальную клетку. Хотя фаги безвредны для клеток человека, они потенциально смертельны для бактерий, поскольку многие фаги проникают в клетку, чтобы захватить ее механизмы и воспроизвести себя, тем самым разрушая клетку.
Хотя это плохая новость для бактерий, это может быть хорошей новостью для людей. Растет потребность в разработке новых методов лечения, которые эффективно воздействуют на смертельные штаммы бактерий, ставшие устойчивыми к другим лекарствам. Фаговая терапия, уже успешно используемая в некоторых частях мира, набирает обороты как более распространенный способ борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериальными инфекциями и даже, в какой-то момент, с некоторыми вирусными инфекциями, включая, согласно недавней статье, возможно, COVID-19..
Среди проблем: тип вируса, известный как профаг. Фаг проникает в бактериальную клетку и не разрушает ее, а поселяется. Названный «профагом», он борется с попытками проникновения других вирусов. По словам Васси Уэйр, профессора кафедры биологических наук Лихайского университета, многие бактериальные штаммы содержат профаги. Эти профаги, по ее словам, могут обеспечить защитные системы, которые усложнят терапевтическое использование фагов. Чтобы уничтожить патоген, фагам может потребоваться преодолеть защитные системы уже существующих профагов.
Ware и ее команда (бывшая аспирантка Кэтрин Магини, нынешний аспирант Хамиду Мохаммед и бывшая студентка бакалавриата Нетта Кудкевич), сотрудничающая с бывшим преподавателем химической и биомолекулярной инженерии и биоинженерии Lehigh Хавьером Бучетой и его командой (бывший научный сотрудник с докторской степенью) Марта Дайс, недавние аспиранты Самира Анбари и Яньян Чен), недавно провели исследование, посвященное фагу Баттерс (открытому Леной Ма в рамках программы Лихай SEA-PHAGES в 2012 году), который атакует бактериальный штамм, связанный с микобактериями, вызывающими туберкулез или другие инфекции человека.
Группа обнаружила двухкомпонентную систему генов профагов Баттерса, которые кодируют белки, которые «взаимодействуют», чтобы блокировать проникновение и последующее заражение одних фагов, но не других. Хотя профаг Баттерса не может защитить бактериальную клетку от всех фаговых атак, они обнаружили, что в защитном репертуаре профага Баттерса присутствует более одной системы защиты. Они обнаружили, что это оружие специфично для разных типов фагов. Эти результаты были опубликованы в статье ранее в этом месяце в mSystems, журнале Американского общества микробиологии.
"Предыдущие результаты, полученные несколькими членами нашей исследовательской группы, работавшей с другими сотрудниками, показали, что профаги экспрессируют гены, которые защищают своего бактериального хозяина от заражения некоторыми определенными группами фагов. были ранее идентифицированы», - говорит Уэр. «Используя наш экспериментальный подход, мы ожидали идентифицировать гены, участвующие в защите от заражения несколькими фагами, но не рассчитывали обнаружить взаимодействия между двумя белками, влияющие на то, как один из белков функционирует в качестве защиты."
Команда Ware/Buceta использовала междисциплинарный подход для выявления генов и взаимодействий. Они использовали инструменты биоинформатики для предсказания структурных особенностей белков, кодируемых генами, экспрессируемыми профагом Баттерса, и для исследования баз данных на наличие генов Баттерса в известных бактериальных штаммах. Методы молекулярной биологии использовались для создания штаммов микобактерий для экспрессии фаговых генов из профага. Микробиологические эксперименты включали анализ эффективности иммунного посева для каждого сконструированного бактериального штамма, чтобы определить, будет ли рассматриваемый ген защищать сконструированный бактериальный штамм от заражения определенным типом фага.
Эта стратегия, по словам Уэра, позволила идентифицировать определенные гены как часть защитного механизма от конкретной вирусной атаки.
Они также провели эксперименты по микроскопии для визуализации живых клеток, чтобы визуализировать клеточное расположение фаговых белков внутри сконструированных бактериальных клеток и показать функциональное взаимодействие между рассматриваемыми фаговыми белками. Биохимические эксперименты показали, что фаговые белки, вероятно, физически взаимодействуют как часть защитного механизма.
«В совокупности эти подходы предоставили данные, которые позволили команде построить модель того, как двухкомпонентная система профагов Баттерса может функционировать для защиты от конкретных вирусных атак», - говорит Уэр.
Добавляет Уэр: «Разнообразие существующих защитных систем показывает, что усилия по созданию общих наборов фаговых коктейлей для фаговой терапии для уничтожения патогенных бактерий, вероятно, будут более сложными».
В дополнение к продвижению разработки фаговой терапии открытие команды может также иметь важное значение для создания устойчивых к фагам бактерий, которые можно использовать в пищевой промышленности и в некоторых биотехнологических приложениях.