Исследование показывает, что разнообразные популяции вирусов сосуществуют на единичных штаммах кишечных бактерий
Вирусы, заражающие и убивающие бактерии, — бактериофаги (фаги) — рассматриваются как перспективный новый тип лечения опасных инфекций, включая штаммы, устойчивые к антибиотикам. Однако вирусологам мало известно о том, как фаги сохраняются в популяциях инфицируемых ими бактериальных клеток, что тормозит разработку фаговых терапий.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science, впервые показало, что один вид бактерий-хозяев может поддерживать разнообразное сообщество конкурирующих видов фагов.
Исследование, проведенное учеными из NYU Grossman School of Medicine, Оксфорда и Йельского университета, продемонстрировало, что несколько видов фагов стабильно сосуществуют в популяции генетически однородного штамма E. coli — бактерии, колонизирующей кишечник человека и включающей болезнетворные варианты.
Исследователи обнаружили, что, несмотря на конкуренцию между вирусами, разные виды фагов предпочитали случайно появляющиеся в популяции медленно или быстро растущие клетки. Таким образом, каждый вид фага находил отдельную нишу на одном и том же хозяине, что приводило к стабильному сосуществованию.
Например, недостаток локального доступа к питательным веществам (голодание) может замедлить рост некоторых клеток для сохранения скудных ресурсов. В данном исследовании два вида фагов, обозначенные N и S, сосуществовали, потому что фаг N был более приспособлен к выживанию в быстрорастущих бактериальных клетках, а фаг S — в медленнорастущих.
Разработчики фаговых терапий надеются избежать проблемы, возникающей при лечении антибиотиками, когда препарат убивает бактерии, но оставляет в живых ту долю, которая случайно оказалась наиболее устойчивой к его механизму действия. Эти выжившие — серьезная проблема, так как они становятся устойчивыми к доступным методам лечения.
«Понимание того, как более одного вида фага могут выживать с течением времени на одной бактерии, может помочь в разработке коктейлей фагов следующего поколения», — говорит первый автор исследования Нора Пайенсон, Ph.D.
«Например, каждый вид фага может атаковать бактерию на разных этапах ее жизненного цикла, что позволит уничтожить всю популяцию до того, как разовьется устойчивость к лечению».
«Ни одна фаговая терапия еще не стала стандартным методом лечения бактериальных инфекций, потому что в прошлых попытках один фаг не убивал все целевые бактерии или потому что бактерии эволюционировали, становясь устойчивыми, подобно развитию устойчивости к антибиотикам», — добавляет доктор Пайенсон.
Лаборатории уже тестируют фаговые методы лечения как альтернативу антибиотикам. Соавтор текущей работы Пол Тернер, Ph.D. из Йельского университета, руководит клиническим испытанием, в котором фаги используются против вида Pseudomonas aeruginosa, способного вызывать тяжелое воспаление в легких пациентов с муковисцидозом.
Лаборатория доктора Шлютера изучает роль фагов в экосистеме кишечника человека и мышей, что может повлиять на будущие методы лечения инфекций, таких как Salmonella. Основная цель — предвидеть влияние введения фагов и разработать фаговые терапии, которые, в отличие от нынешних версий, адаптированных под одного пациента, будут универсально работать для многих пациентов.
Важность экологии фагов
Понимание видового разнообразия — фундаментальный вопрос экологии и эволюционной биологии. Основной фактор, способствующий разнообразию (от птиц до растений и бактерий), — это способность видов находить способы сосуществовать, продолжая конкурировать за ресурсы. Однако вирусы традиционно не рассматривались в таком «социальном» контексте.
Исследовательская группа экспериментально проверила давнее предположение, что генетическое разнообразие бактерий ограничивает разнообразие видов вирусов. Это привело к ожиданию, что один тип фага вытеснит всех остальных и останется единственным выжившим. Однако, подобно тому, как многоклеточные организмы содержат множество видов бактерий в своем микробиоме, новые результаты показывают, что единичный штамм бактерий сам по себе может содержать разнообразное сообщество видов фагов.
«Наше исследование вносит вклад в бурно развивающуюся область изучения социальной жизни вирусов», — добавляет доктор Пайенсон.
«Мы часто думаем о вирусах исключительно с точки зрения их воздействия на хозяина, но они также существуют в контексте других видов вирусов. Эти сообщества фагов показывают, как разнообразие возникает даже среди простейших биологических единиц».
Интересно, что наличие разнообразной популяции бактерий в кишечнике человека является признаком здоровья, поскольку разнообразный набор видов (микробиом) лучше способен противостоять попыткам доминирования со стороны любых вторгающихся болезнетворных видов. По той же причине популяция вирусов, занимающих бактерии, живущие в кишечнике, также становится важным регулятором здоровья, а аномальные смеси фагов, как считается, способствуют развитию таких состояний, как сепсис.
«Эта работа представляет собой сдвиг в нашем понимании экологии фагов», — сказал доктор Шлютер. — «Благодаря работе Норы, которую она провела во время пандемии в четырех лабораториях, мы теперь можем начать понимать эволюцию фагов, когда они находятся в сообществе с разнообразными видами вирусов, и как это формирует их роль в здоровье и болезни».