Студенты погружаются в обширный и удивительный мир фагов

Вооружившись стерильными пробирками, студенты Медицинского факультета Университета Оттавы разошлись по канадской столице для сбора образцов почвы. Они охотились на «бактериофаги» — вирусы размером в одну сороковую типичной бактерии, поразительно похожие на посадочные аппараты инопланетян из научно-фантастических фильмов 1950-х годов.

Найти их вирусную добычу было несложно. Бактериофаги, или «пожиратели бактерий», — самые многочисленные биологические организмы на Земле. Они везде, где есть бактерии: в почве, воде, микробиоме кишечника человека. Ученые считают, что, находясь в коэволюционной борьбе со своими бактериальными хозяевами с незапамятных времен, их насчитывается более 10³¹. Это более 10 миллионов триллионов триллионов.

Для сравнения: бактериофагов (или просто фагов) неизмеримо больше, чем песчинок на планете. Считается, что их в 10 миллионов раз больше, чем звезд в видимой Вселенной. Они также очень активны. Каждый день половина всех океанических бактерий инфицируется и разрывается этими реплицирующимися микроскопическими убийцами в вечной войне.

Открытие скрытого мира для студентов

Доктор Адам Руднер, адъюнкт-профессор кафедры биохимии, микробиологии и иммунологии Медицинского факультета, страстно увлечен знакомством студентов с увлекательным миром фагов и обучением их поиску совершенно новых для науки вирусов. Его работа в исследовательских лабораторных курсах недавно была отмечена Призом за совершенство в образовании uOttawa.

Благодаря видению доктора Руднера uOttawa стал первым канадским университетом, присоединившимся к программе Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), посвященной фагам и направленной на знакомство студентов с методами исследований, экспериментальным дизайном и интерпретацией данных. Это подключило uOttawa к широкой сети учреждений, поддерживаемых программой «Охотники за фагами, развивающие геномную и эволюционную науку» (SEA-PHAGES).

Первый курс «Охотники за фагами» на Медицинском факультете был проведен в 2019 году с 16 студентами. Сейчас это обязательный лабораторный курс, который преподается в пяти группах для 80 студентов третьего года программы TMM. Студенты выполняют этапы работы: очистку и амплификацию найденного фага, выделение его генома, анализ «полиморфизма длин рестрикционных фрагментов» (RFLP) и другие задачи.

«Пока они изучают фундаментальные микробиологические методы, я считаю, что сам исследовательский опыт гораздо важнее для их развития как независимых ученых», — говорит доктор Руднер.

«Сложный фаг с большей вероятностью окажется уникальным», — отмечает доктор Руднер, получивший докторскую степень в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и прошедший постдокторскую стажировку в Гарвардском университете.

Студенты получают право дать имя своему открытию. После всей тяжелой работы по поиску и выделению нового бактериофага студенты называют свою находку и вносят ее в международную базу данных.

Важный опыт для многих студентов

Закари Митчелл, студент пятого года программы TMM BSc-MSc, а ныне ассистент преподавателя, обучающий студентов работе с бактериофагами, говорит, что опыт в лаборатории доктора Руднера по открытию фагов утвердил его в решении заниматься исследованиями на уровне магистратуры. Уроженец Норт-Бея, Онтарио, стремится однажды работать лаборантом в фаговой лаборатории в академической среде или биотехе.

«Чем больше я изучал их и узнавал, как быстро они эволюционируют и насколько биологически разнообразны, тем больше понимал, как относительно мало мы знаем об фундаментальной биологии этих вирусов. Теперь попытки ответить на вопросы о биологии недавно открытых студентами фагов — мой главный интерес», — говорит Митчелл.

По пути он открыл два фага, назвав один «EnochSoames» в честь персонажа рассказа английского эссеиста Макса Бирбома, а другой — «SunWukong» в честь китайского религиозного персонажа из романа У Чэнъэня «Путешествие на Запад».

Эмили Вуд, студентка 4-го курса программы TMM BSc-MSc в лаборатории доктора Руднера, которая в конечном итоге хочет работать в онкологии, говорит, что опыт выделения ее фага из пробирки с почвой с заднего двора и последующего полного секвенирования генома заставил ее почувствовать «гораздо больше ответственности за свою работу в лаборатории».

«Дизайн курса позволил мне испытать и отработать множество лабораторных методик и экспериментов, которые, как мне кажется, подготовили меня к будущей работе в любой биомедицинской исследовательской лаборатории. А лабораторная среда оставляла место для проб и ошибок и веселья», — говорит Вуд, выросшая в Каледоне, Онтарио.

Она назвала свой новый фаг «Superstar», вдохновившись песней Тейлор Свифт и тем, что она счла харизмой вируса высшей лиги. Теперь, в рамках своего магистерского проекта, она выделяет и характеризует бактериофаги, инфицирующие Staphylococcus epidermidis — бактерию, которая часто колонизирует имплантированные медицинские устройства и может обладать высокой устойчивостью к антибиотикам.

Растущая область, вызывающая ажиотаж

Фаги, случайно открытые более века назад двумя учеными, исследовавшими, почему их бактериальные культуры в лаборатории уничтожаются, показали уникальную способность лечить бактериальные инфекции.

Они также могут быть точно настроенным оружием против «супербактерий» и антибиотикорезистентности — растущей проблемы, которую Всемирная организация здравоохранения определила как одну из самых больших угроз для глобального здоровья, продовольственной безопасности и развития.

В настоящее время фаговая терапия, десятилетиями использовавшаяся в Восточной Европе для лечения бактериальных инфекций, в Канаде является экспериментальной и недоступна вне клинических испытаний. Но на этом фронте в Северной Америке ситуация может меняться. Существуют различные активные испытания, а некоторые известные университеты США начали создавать институты фаговой терапии.

«Вокруг фаговой терапии много обещаний и ажиотажа, и она медленно становится тем, что финансируется и поддерживается по всему миру», — говорит доктор Руднер. — «Также многообещающим является использование фагов в сельскохозяйственных условиях — где используется/злоупотребляется большинство антибиотиков — а также в таких областях, как упаковка пищевых продуктов, пластыри, местное применение в кремах от акне, пероральное применение для предотвращения образования зубного налета».

Доктор Руднер говорит, что процветающая программа на Медицинском факультете uOttawa будет развиваться вместе с наукой и открытиями лаборатории.

«Моя лаборатория ведет несколько проектов, которые использовали исследования студентов, и теперь превращаются в интересные истории и могут предоставить фаги для испытаний фаговой терапии в Оттавской больнице», — говорит он.