Исследователи обнаружили редкие фаги, атакующие «спящие» бактерии

Большинство бактерий в природе живут в состоянии минимальной активности. При дефиците питательных веществ или стрессе они контролируемо отключают метаболизм и переходят в покоящееся состояние. В этом «режиме ожидания» некоторые метаболические процессы, позволяющие микробам воспринимать окружающую среду, сохраняются, но рост и деление приостанавливаются.

Это также защищает бактерии, например, от антибиотиков или от вирусов, поражающих исключительно бактерий. Такие бактериофаги рассматриваются как возможная альтернатива антибиотикам, которые теряют эффективность из-за резистентности. До сих пор в научном сообществе преобладало мнение, что фаги успешно заражают бактерии только во время их роста.

Исследователи из ETH Zurich задались вопросом, могла ли эволюция создать бактериофаги, специализирующиеся на покоящихся бактериях. Их поиски, начатые в 2018 году, увенчались успехом: в новой публикации в журнале Nature Communications они показывают, что такие фаги, хотя и редки, действительно существуют.

Удача в компостной куче

Когда профессор Александр Хармс и его команда в Базельском университете начали проект, они предполагали, что в первый год им удастся выделить около 20 различных фагов, атакующих «спящие» бактерии. Однако это произошло только в 2019 году: аспирант Энеа Маффей выделил новый, ранее неизвестный вирус из гниющих растительных остатков на кладбище недалеко от Риена (кантон Базель-Штадт).

Этот вирус, названный Paride, способен инфицировать и уничтожать покоящиеся бактерии. «Это первый описанный в литературе фаг, который, как доказано, атакует бактерии в состоянии покоя», — говорит Маффей. «Учитывая огромное количество бактериофагов, я всегда был убежден, что эволюция должна была создать некоторые из них, способные взломать покоящиеся бактерии», — добавляет Хармс.

Активность против распространённой бактерии

Обнаруженный фаг инфицирует Pseudomonas aeruginosa — бактерию, широко распространённую в окружающей среде. Различные штаммы колонизируют водоёмы, растения, почву и организм человека, где могут вызывать серьёзные респираторные заболевания, такие как пневмония.

Механизм, с помощью которого новый фаг застаёт врасплох покоящиеся клетки P. aeruginosa, пока не ясен. Исследователи предполагают, что вирус использует специфический молекулярный «ключ», чтобы «разбудить» бактерии, а затем захватывает их аппарат размножения для собственной репликации. Точное понимание этого процесса — цель дальнейших исследований.

Первые тесты показывают эффект

Для проверки эффективности фага Paride исследователи объединили его с антибиотиком меропенемом, который нарушает синтез клеточной стенки. Сам по себе антибиотик не действует на покоящиеся бактерии, так как они не синтезируют новую клеточную стенку.

В опытах на культурах клеток фаг смог уничтожить 99% покоящихся бактерий. Полная эрадикация культуры произошла только при комбинации фага Paride и меропенема, хотя последний в отдельности не оказывал заметного эффекта.

В последующем эксперименте на мышах с хронической инфекцией, проведённом совместно с врачом Базельской университетской клиники Ниной Ханной, комбинация также показала высокую эффективность, в отличие от раздельного применения фага или антибиотика. «Это показывает, что наше открытие не является артефактом лаборатории, но может иметь и клиническую значимость», — отмечает Маффей.

Надежда и вызовы фаговой терапии

Несмотря на интенсивное обсуждение фаговой терапии в последние годы как потенциальной замены неэффективным антибиотикам, широкому применению мешает отсутствие масштабных исследований. «То, что мы имеем сейчас, — это в основном отдельные case studies», — говорит Хармс.

По его мнению, низкая эффективность фаговой терапии в некоторых случаях (исследования в госпитале королевы Астрид в Брюсселе показали неудачу в 4 из 10 случаев, несмотря на чувствительность бактерий in vitro) может быть связана как раз с присутствием покоящихся бактерий в организме, особенно при хронических инфекциях.

«Это означает, что для лечения важно знать физиологическое состояние бактерий. Тогда правильные фаги в комбинации с антибиотиками можно было бы применять целенаправленно. Но для этого нужно точно понимать, как фаг атакует бактерию, а мы ещё слишком мало знаем о фагах», — объясняет Хармс.

Именно поэтому в ближайшие годы исследователи планируют детально изучить, как новый фаг Paride выводит бактерии из «глубокого сна», заражает их и делает уязвимыми для антибиотиков.