Дизайнерские вирусы могут стать новыми антибиотиками

Бактериальные инфекции остаются серьёзной угрозой для здоровья людей и животных. Каталог эффективных антибиотиков сокращается из-за роста устойчивости патогенов к этим препаратам. Мультирезистентные организмы, или «супербактерии», распространяются, и прогнозы без новых методов борьбы пессимистичны.

Возможное решение — использование модифицированных бактериофагов, вирусов, поражающих бактерии. Два недавних исследования в журнале Nature Biotechnology демонстрируют перспективную альтернативу традиционным низкомолекулярным антибиотикам.

От базовой к синтетической биологии

У всех живых организмов есть механизмы защиты от патогенов. У бактерий важную часть иммунной системы составляет семейство белков, расщепляющих чужеродную ДНК. Эти белки разрушают генетический материал вирусов, не затрагивая собственный геном бактерии.

У позвоночных адаптивная иммунная система создаёт молекулярную память о прошлых атаках, что лежит в принципе действия вакцин.

CRISPR-революция

До недавнего времени считалось, что у бактерий нет адаптивной иммунной системы. Однако в 2007 году учёные показали, что бактерии в молочной промышленности можно «вакцинировать» вирусом. Ранее были замечены сходства между повторяющимися участками в бактериальных геномах (CRISPR — «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами») и ДНК вирусов.

Стало ясно, что бактерии встраивают фрагменты вирусной ДНК в свой геном для защиты от будущих атак. В 2012 году немецкая команда выяснила, как бактерии транскрибируют вирусную ДНК в короткую РНК, которая направляет белок Cas9 к нужному участку ДНК вируса для её разрезания.

В эпоху синтетической биологии эта естественная функция быстро стала инструментом. Лаборатории показали, что, изменяя короткую РНК-гид, можно вырезать любой ген из хромосомы с помощью системы CRISPR-Cas9. С тех пор её используют для редактирования генома бактерий, дрожжей, червей, растений, плодовых мух, рыб, грызунов и даже человеческих клеток.

Перепрограммированный бактериальный иммунитет

Две научные группы под руководством Тимоти Лу (MIT) и Лучано Марраффини (Университет Рокфеллера) использовали систему CRISPR-Cas9, чтобы превратить защитный механизм бактерии в оружие самоуничтожения.

Их команды создали искусственную систему CRISPR-Cas9, способную вырезать определённые гены, собрали её в лаборатории и доставили обратно в бактерии с помощью вирусов. Попав в бактерию, РНК-гид направляет белок Cas9 к генам, которые обеспечивают устойчивость к антибиотикам или другие вредные свойства. После удаления этих генов супербактерия либо погибает, либо становится безвредной.

Хотя метод требует доработки для клинического применения, его способность избирательно уничтожать патогены имеет большой потенциал, так как ограничивает их распространение.

Преимущества и перспективы

Традиционные низкомолекулярные антибиотики убивают и полезные бактерии в организме. Новый метод оставляет безвредные микробы нетронутыми, минимизируя побочные эффекты.

Понимание роли микробиома кишечника в развитии таких состояний, как депрессия, диабет и ожирение, растёт. В этом контексте сконструированные вирусы, способные восстанавливать или формировать микробиоту, могут значительно улучшить здоровье.