Как падальщики избегают инфекций и что мы можем у них перенять

Проблема открытия новых антибактериальных средств стала глобальным вызовом. Растущая антибиотикорезистентность и трудноизлечимые инфекции требуют новых препаратов и мер профилактики. Проблемы производства пищи, такие как бактериальные болезни растений и порча продуктов, также стимулируют поиск инноваций.

Многие современные антибактериальные средства имеют природное происхождение, например, антибиотик стрептомицин или пищевой консервант лизоцим. Учёные полагают, что выработка антибактериальных веществ эволюционировала для самозащиты: у мелких организмов — для отпугивания конкурентов, у крупных — для предотвращения инфекций. У микроорганизмов, живущих в макроорганизме (например, полезных микробов кишечника), эти молекулы могут выполнять обе функции.

Это натолкнуло нас на мысль изучить падальщиков: стервятников, миксин и падальных мух. Их диета состоит из разлагающихся туш животных (падали), которая, как можно ожидать, содержит болезнетворные бактерии. Мы исследовали, подтверждается ли это ожидание научными данными, есть ли у падальщиков или их кишечной микробиоты особые защитные механизмы, и можно ли, подобно стрептомицину или лизоциму, разработать их для нужд человека.

Наше исследование, опубликованное в Critical Reviews in Biotechnology, было направлено на поиск ответов. Мы начали с каталогизации диет более 600 видов животных-падальщиков, а затем сопоставили эти данные с современными исследованиями в области инфекционных болезней, иммунологии и биотехнологии.

Риск заражения болезнетворными бактериями

Мы выделили три фактора, делающих падаль высокорискованной пищей:

1. Некоторые туши попадают в пищевую цепь из-за бактериальных заболеваний. Животные могут погибнуть от множества инфекций и служить резервуаром для бактерий, вызывающих сибирскую язву, чуму и другие болезни.
2. Животные, погибшие от неинфекционных причин, также представляют риск, так как их туши могут быть колонизированы бактериями, вызывающими ботулизм, которые находятся в почве и морском дне в спящем состоянии.
3. Контакт с другими падальщиками — ещё один риск, поскольку некоторые из них (например, дикие свиньи, падальные и комнатные мухи) являются переносчиками микобактерий, сальмонелл и других патогенов. Взаимодействие между падальщиками вероятно во время кормёжки, особенно у крупной туши.

Защитные механизмы падальщиков

Наш обзор показал, что падальщики обладают множеством антибактериальных защитных механизмов.

Поведенческие адаптации включают снижение риска: индюковые грифы и каменные крабы избегают особенно гнилой падали; волки — падали, пролежавшей на летнем солнце; обыкновенные вороны предпочитают туши, убитые хищником, а не павших по неизвестной причине.

Физиологические защиты ещё интереснее. Например, волки могут удерживать пищу в желудке до 12 часов (вдвое дольше человека), что позволяет желудочной кислоте дольше уничтожать бактерии до их попадания в кишечник. У кожеедов и других насекомых кишечник защищён специальной выстилкой из антибактериального материала — хитина.

Системы распознавания также важны. В иммунных системах грифов, комнатных и чёрных львинок были обнаружены новые молекулы, специализирующиеся на распознавании бактерий. Они структурно отличаются от аналогов у других животных и часто превосходят их по количеству.

Химические защиты — молекулы разного размера и структуры, подавляющие или убивающие бактерии. Например, падальные мухи производят антимикробные пептиды (AMPs), липиды и белки, защищающие их внешнюю поверхность и кровеносную систему. Полезные микробы в кишечнике белоголовых сипов и обыкновенных могильщиков вырабатывают антибактериальные молекулы — бактериоцины и циклические липопептиды, защищающие кишечник хозяина.

Разработка антибактериальных продуктов

Некоторые из этих защитных механизмов, благодаря способности распознавать или повреждать бактерии, открывают возможности для разработки продуктов. Такие исследования уже ведутся в Германии, Китае, США и других странах.

Малые и средние молекулы, подавляющие или убивающие бактерии (циклические липопептиды, AMPs), потенциально могут стать основой для новых антибактериальных препаратов. Особый интерес представляют AMPs, активные против биоплёнок — липких бактериальных слоёв, инфицирующих искусственные клапаны сердца и суставы и крайне устойчивых к лечению.

Крупные молекулы (лектины), хорошо распознающие бактерии, могут быть полезны в системах доставки лекарств для нацеливания на очаги инфекции. Хитин и другие молекулы изучаются как антибактериальные строительные материалы для перевязочных средств при ожогах и медицинских имплантатов. Чёрные львинки рассматриваются как новый экологичный источник хитина.

В сельском хозяйстве молекулы, полученные от падальщиков, могут стать альтернативой антибиотикам в кормах. Например, антимикробный липид лауриновая кислота подавляет патогенные бактерии у птицы и способствует росту и иммунитету животных. Механизм действия антимикробных липидов отличается от антибиотиков, что снижает риск развития резистентности.

Учёные также исследуют AMPs падальщиков для повышения устойчивости пищевых культур к болезням, а бактериоцины тестируют в качестве пищевых консервантов. Такие исследования необходимы для повышения продовольственной безопасности в условиях роста населения планеты.

Надежда на будущее

Наш обзор показывает, что падальщики сталкиваются с множеством опасных бактерий через свой рацион и «сотрапезников», и выработали множество защитных механизмов.

Работы по превращению этих защитных механизмов в новые антибактериальные продукты уже начались. Поскольку более 90% видов падальщиков остаются неисследованными или малоизученными, вероятно, существуют и другие полезные защиты, которые ещё предстоит открыть.

Вопреки репутации «вестников смерти», мы считаем, что падальщики могут помочь вдохнуть новую жизнь в сложную область поиска антибактериальных средств.