Исследователи раскрыли давнюю загадку о том, как фаги обезоруживают патогенные бактерии
Бактериальные инфекции, особенно вызванные антибиотикорезистентными штаммами, представляют серьёзную проблему для медицины и сельского хозяйства. Учёные из Texas A&M AgriLife Research выяснили механизм, с помощью которого бактериофаги (фаги) обезвреживают патогены, что открывает путь к новым методам лечения.
В исследовании, опубликованном в Science, профессор Ланьин Цзэн и доцент Цзюньцзе Чжан из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни детально описали точный механизм, с помощью которого фаги деактивируют бактерии. Работа объясняет серию взаимодействий, которые учёные пытались понять с начала 1970-х годов.
Необходимость новых методов лечения
Pseudomonas aeruginosa — бактерия, вызывающая инфекции крови, лёгких и других органов, особенно распространённые в медучреждениях. По данным CDC, в 2017 году было зарегистрировано более 30 000 случаев инфекций, вызванных мультирезистентной P. aeruginosa.
Распространённость таких инфекций делает их ключевой мишенью для фаговой терапии — альтернативного подхода, который исследуют в Центре фаговых технологий Texas A&M.
Мишень — пили
Один из факторов, позволяющих P. aeruginosa обмениваться генами устойчивости к антибиотикам, перемещаться и формировать биоплёнки, — это пили (от латинского "копьё"). Эти цилиндрические структуры выступают с поверхности бактерий.
Некоторые фаги используют пили, прикрепляясь к ним. Бактерия втягивает пили, подтягивая фаг к поверхности клетки, где начинается заражение.
В исследовании, соавторами которого стали аспиранты Джирапат Тонгчол и Цзихао Ю, учёные с помощью флуоресцентной микроскопии, криоэлектронной микроскопии и компьютерного моделирования изучили этот процесс. Они наблюдали, как фаг PP7 заражает P. aeruginosa, прикрепляясь к пилю, которая затем втягивается. В точке проникновения вируса пиль изгибается и отламывается. Потеря пили резко снижает способность бактерии заражать своего хозяина.
Текущие исследования
Эта работа продолжает исследование 2020 года, в котором команда Цзэн обнаружила фаг, аналогично отламывающий пили у клеток E. coli, что предотвращает обмен генами (распространённый путь передачи устойчивости к антибиотикам).
Исследование Pseudomonas — часть серии работ. В марте 2024 года в Nature Communications были опубликованы данные о взаимодействии бактерии рода Acinetobacter и заражающего её фага. Ещё одна работа, ожидающая публикации в мае 2024 года, охватит третий род бактерий.
Прогресс в определении точных белковых структур и молекулярных взаимодействий стал возможен благодаря новому криоэлектронному микроскопу AgriLife Research, который может разрешать структуры на атомном уровне.
"В нашем более раннем исследовании по E. coli мы не изучали механизм глубоко. В работе с Pseudomonas мы смогли объяснить гораздо больше: что именно происходит, включая силу и скорость отделения пили, и понять, почему и как это случается", — сказал Цзэн.
Применение в медицине
Это исследование может иметь важные последствия для лечения антимикробных инфекций. По словам Чжана, врачам не обязательно использовать фаги для уничтожения бактерий (как в фаговой терапии). Достаточно позволить вирусам обезоружить бактерии. Это может дать иммунной системе шанс самостоятельно побороть инфекцию или позволит лечить пациентов меньшими дозами антибиотиков.
"Если вы просто убиваете бактерии, клетки разрушаются и высвобождают токсичный материал в организм хозяина. Наш подход — использовать особый тип фага, который разоружает бактерии. Мы лишаем их способности обмениваться генами устойчивости или перемещаться, отламывая этот отросток", — пояснил Чжан.
Команда продолжит поиск аналогичных случаев, когда фаги подавляют вирулентность патогенных бактерий.
"Мы используем синергетический подход. Мы пытаемся понять универсальный механизм для этого типа фагов и то, как они могут воздействовать на другие типы бактерий. Это общая цель нашего совместного усилия: попытаться решить проблему мультирезистентных бактерий", — заявил Чжан.