Неожиданная красота и мощный рост антимикробной силы: бактериофаги формируют удивительные цветочные структуры
Исследователи из Университета Макмастера, работающие с бактериофагами — вирусами, поражающими бактерии, — сделали приятное и потенциально очень важное открытие при подготовке образцов для мощного микроскопа.
После обработки образцов фагов для наблюдения в живом виде под электронным микроскопом, учёные с удивлением обнаружили, что вирусы объединились в трёхмерные структуры, похожие на подсолнухи, размером всего 0.2 миллиметра.
Природа создала именно тот тип структуры, который специалисты десятилетиями пытались сконструировать искусственно. Оказалось, что такие "цветы" в 100 раз эффективнее отдельных фагов в поиске трудноуловимых бактериальных мишеней.
Способность создавать подобные структуры открывает возможности для обнаружения и лечения многих форм заболеваний с использованием натуральных материалов и процессов. Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Счастливая случайность
Первоначальное открытие стало счастливой случайностью. Вместо стандартных методов подготовки образцов (с использованием температур или растворителей, убивающих вирусы), ведущий автор Лей Тянь и его коллеги обработали фаги высоким давлением углекислого газа. Тянь, ныне главный исследователь в Юго-Восточном университете Китая, проводил эту работу, будучи аспирантом и постдоком в Макмастере.
После обработки исследователи были поражены, увидев, что фаги сгруппировались в такие сложные, естественные и полезные формы.
"Мы пытались сохранить структуру этого полезного вируса, — говорит Тянь. — Это был технический вызов. А получили мы эту удивительную структуру, созданную самой природой".
Исследователи запечатлели образования с помощью Канадского центра электронной микроскопии в Макмастере и потратили два года на изучение процесса и демонстрацию полезности новых структур для науки и медицины.
"Это было случайное открытие, — говорит корреспондирующий автор Тохид Дидар, инженер-механик, занимающий канадскую исследовательскую кафедру в области нанобиоматериалов. — Когда мы вынули их из камеры высокого давления и увидели эти красивые цветы, это полностью потрясло нас. Нам потребовалось два года, чтобы понять, как и почему это произошло, и открыть дверь к созданию подобных структур с другими белковыми материалами".
Прорыв в фаговой инженерии
В последние годы лаборатория старшего автора Зейнаб Хоссейнидуст, инженера-химика и биомедика, занимающей канадскую исследовательскую кафедру в области биоинженерии бактериофагов, добилась значительных успехов. Учёные научились соединять полезные вирусы в живое микроскопическое "полотно" и даже создавать гель, видимый невооружённым глазом, открывая новые горизонты для их применения, особенно в обнаружении и борьбе с инфекциями.
Однако до недавнего открытия не удавалось придать материалу форму и глубину, которые теперь появились благодаря складкам, пикам и расщелинам цветочных структур.
"Это действительно о строительстве вместе с природой, — говорит Хоссейнидуст. — Этот тип красивой, морщинистой структуры повсеместно распространён в природе. Механические, оптические и биологические свойства таких структур десятилетиями вдохновляли инженеров на их искусственное создание в надежде получить те же свойства".
Уникальные свойства и применение
Пористые цветочные фаговые структуры в 100 раз лучше своих несвязанных аналогов находят рассеянные, диффузные мишени даже в сложных средах. Авторы доказали это, смешав их с ДНКзимами, созданными коллегами по исследованиям инфекционных заболеваний, и использовав "соцветия" для обнаружения низких концентраций бактерий Legionella в воде из коммерческих градирен.
Бактериофаги вновь становятся перспективными средствами лечения многих инфекций, поскольку их можно запрограммировать на атаку конкретных бактерий, не затрагивая другие.
Интерес к этой области снизился после внедрения пенициллина в середине прошлого века, но по мере роста антимикробной резистентности, снижающей эффективность существующих антибиотиков, учёные, включая исследователей из Макмастера, возвращают внимание к фагам.
Открытие процесса, заставляющего их связываться в цветочные формы, может усилить их и без того впечатляющие свойства — как для поиска и уничтожения целевых бактерий, так и для использования в качестве каркаса для других полезных микроорганизмов и материалов.
"Природа настолько могущественна и умна. Как инженеры, наша задача — понять, как она работает, чтобы мы могли использовать такие процессы и применять их, — говорит Хоссейнидуст. — Возможности безграничны, потому что теперь мы можем создавать структуры, используя биологические строительные блоки".