Сконструированные вирусы могут помочь бороться с лекарственной устойчивостью: изменяя геномы бактериофагов, команда MIT создает новое оружие для борьбы с инфекцией. В борьбе с устойчивостью к антибиотикам многие ученые пытаются внедрить встречающиеся в природе вирусы, называемые бактериофагами, которые могут заражать и убивать бактерии.
Бактериофаги убивают бактерии с помощью механизмов, отличных от антибиотиков, и они могут воздействовать на конкретные 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.
Исследование
В своем исследовании инженеры-биологи Массачусетского технологического института показали, что они могут быстро программировать бактериофаги для уничтожения различных штаммов E. coli путем внесения мутаций в вирусный белок, который связывается с клетками-хозяевами. Исследователи обнаружили, что эти сконструированные бактериофаги также с меньшей вероятностью вызывают резистентность у бактерий.
“Как мы все чаще видим в новостях, устойчивость бактерий продолжает развиваться и становится все более проблематичной для общественного здравоохранения, — говорит Тимоти Лу, доцент кафедры электротехники, компьютерных наук и биологической инженерии Массачусетского технологического института. — Фаги представляют собой совершенно иной способ уничтожения бактерий, чем антибиотики, который дополняет антибиотики, а не пытается их заменить”.
Исследователи создали несколько инженерных фагов, которые могут убивать E. coli, выращенную в лаборатории. Один из недавно созданных фагов также смог уничтожить два штамма E. coli, устойчивых к естественным фагам, вызванным кожной инфекцией у мышей.
Лу является старшим автором исследования, которое опубликовано в номере журнала Cell. Ведущими авторами статьи являются постдок Массачусетского технологического института Кевин Йель и бывший постдок Себастьен Лемир.
Сконструированные вирусы
Управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило несколько бактериофагов для уничтожения вредных бактерий в пище, но они не получили широкого применения для лечения инфекций, поскольку поиск природных фагов, нацеленных на нужный вид бактерий, может быть сложным и трудоемким процессом.
“Мы считаем, что фаги — это хороший инструмент для уничтожения и снижения уровня бактерий в сложной экосистеме, но целенаправленным образом”, — говорит Лу.
В 2015 году исследователи использовали фаг из семейства T7, который естественным образом убивает E.coli, и показали, что они могут программировать его на другие бактерии, меняя местами различные гены, которые кодируют хвостовые волокна, белок, который бактериофаги используют для захвата рецепторов 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 определили области, которые, по нашему мнению, будут оказывать минимальное влияние на структуру белка, но смогут изменить его связывающее взаимодействие с бактериями”, — говорит Йель.
Они создали фаги с примерно 10 000 000 различными хвостовыми волокнами и протестировали их против нескольких штаммов E. coli, которые эволюционировали, чтобы быть устойчивыми к неинженерному бактериофагу. Одним из способов, которым E. coli может стать устойчивой к бактериофагам, является мутация рецепторов “LPS”, в результате чего они укорачиваются или отсутствуют, но команда MIT обнаружила, что некоторые из созданных ими фагов могут убивать даже штаммы E. coli с мутированными или отсутствующими рецепторами LPS.
Это помогло преодолеть один из ограничивающих факторов при использовании фагов в качестве противомикробных препаратов, который заключается в том, что бактерии могут вырабатывать устойчивость путем мутации рецепторов, которые фаги используют для проникновения в бактерии, говорит Ротем Сорек, профессор молекулярной генетики в Институте науки Вейцмана.
Ученые планируют применить этот подход к другим механизмам устойчивости, используемым E. coli, и они также надеются разработать фаги, которые могут убивать другие виды вредных бактерий. Способность избирательно поражать эти не приносящие пользы штаммы может дать много преимуществ с точки зрения клинических исходов у людей.