Бактериофаги, неофициально известные как фаги, представляют собой вирусы, которые могут атаковать и убивать определенные бактерии. Они встречаются повсюду в мире природы. Именно потому, что они соответствуют только одному конкретному типу бактерий, исследователи и медики надеются, что фаги могут быть созданы для борьбы с определенными бактериальными инфекциями. Например, пищевая промышленность уже использует эти фаги для уничтожения патогенов в продуктах питания естественными методами.
Однако генная инженерия фагов с целью их настройки для конкретных приложений по-прежнему остается очень сложным и трудоемким процессом. Особенно трудно модифицировать фаги для борьбы с грамположительными бактериями, такими как стафилококки. Включение синтетического фагового генома в грамположительные бактерии до сих пор было очень проблематичным, поскольку их клеточные стенки очень толстые.
Фаги индивидуального проектирования
Сейчас может наступить новая эра в использовании бактериофагов, поскольку группа исследователей во главе с Мартином Лесснером, профессором пищевой микробиологии в ETH Zurich, только что представила новую технологическую платформу в статье, опубликованной в журнал ПНАС. Это позволяет ученым систематически модифицировать генетические геномы фагов, наделять их дополнительной функциональностью и, наконец, повторно активировать их в бактериальном «суррогате» - клетке Listeria с дефицитом клеточной стенки, или L-форме..
Новый фаговый верстак позволяет очень быстро создавать такие вирусы, а «инструментарий» исключительно модульный: он позволяет создавать практически любые бактериофаги для разных целей, с большим разнообразием функций.
«Раньше было почти невозможно изменить геном бактериофага», - говорит Лесснер. Кроме того, методы были очень неэффективными. Например, ген был интегрирован в существующий геном лишь у очень небольшой части фагов. Поэтому выделение модифицированного фага часто было похоже на поиск иголки в стоге сена.
«Раньше нам приходилось проверять миллионы фагов и отбирать те из них, которые обладают нужными характеристиками. Теперь мы можем создавать эти вирусы с нуля, тестировать их в разумные сроки и, при необходимости, модифицировать их снова», - Лёсснер. стрессы.
Планирование фагов на компьютере
Сэмюэл Килчер, специалист по молекулярной вирусологии, сыграл ключевую роль в прорыве: он использовал методы синтетической биологии, чтобы спланировать геном бактериофага на чертежной доске и собрать его в пробирке из фрагментов ДНК. В то же время в геном фага были включены новые, дополнительные функции, такие как ферменты для растворения бактериальной клеточной стенки. Кроме того, Килчер способен удалять гены, придающие фагу нежелательные свойства, такие как интеграция в бактериальный геном или выработка цитотоксинов.
Чтобы реактивировать фаг из синтетической ДНК, геном был введен в сферические, лишенные клеточной стенки, но жизнеспособные формы бактерии Listeria (L-форма Listeria). Основываясь на генетическом плане, эти бактериальные клетки затем производят все компоненты желаемого фага и обеспечивают правильную сборку вирусных частиц.
Исследователи также обнаружили, что сферические клетки Listeria способны не только создавать свои собственные специфические фаги, но и те, которые способны атаковать другие бактерии. Обычно хост генерирует только свои специфические вирусы. Таким образом, L-формы Listeria подходят в качестве практически универсального инкубатора для бактериофагов.
Если затем довести клетки Listeria до точки, где они разрываются (лизис), бактериофаги высвобождаются и могут быть выделены и размножены для использования в терапии или диагностике.
Подходят только вирулентные фаги
«Ключевым условием использования эффективных синтетических бактериофагов является то, что их геном не может интегрироваться в геном хозяина», - подчеркивает Килчер. Если это произойдет, вирус больше не представляет угрозы для бактерии. Однако, используя этот новый метод, ученые смогли просто перепрограммировать такие интегративные фаги, чтобы они снова стали интересными для антибактериального применения.
Два исследователя не особенно беспокоятся о потенциальной резистентности к фагам. И даже если бы они были, например, из-за того, что бактерия меняет структуру своей поверхности, чтобы предотвратить прикрепление вируса, новая технология позволяет разработать подходящий фаг, против которого бактерия еще не выработала резистентность.
Исследователи также считают, что опасность непреднамеренного высвобождения очень мала: поскольку бактериофаги - как природные, так и синтетические - чрезвычайно специфичны для хозяина, они не могут долго выживать без хозяина. Эта высокая специфичность также предотвращает переключение бактериофагов на новую бактерию-хозяина. «Адаптация к структуре поверхности другого хозяина в природе заняла бы очень много времени», - говорит Лесснер.
Близко к практическому применению
С помощью этой новой технологии команда Лёсснера сделала гигантский шаг в направлении применения синтетических бактериофагов в терапии, диагностике или пищевой промышленности. Таким образом, ученым удается преодолеть ограничения, связанные с использованием встречающихся в природе фагов. «Наш набор инструментов может помочь использовать потенциал фагов», - говорит Лёсснер. Исследователи подали заявку на патент на свою технологию. Теперь они надеются найти лицензиатов на производство фагов для терапии и диагностики.