Эволюция вирусов для борьбы с бактериальными инфекциями

Мультирезистентные бактериальные инфекции — одна из самых острых проблем в медицине, которая, как ожидается, будет усугубляться в ближайшие десятилетия. Проблему решают не только разработкой новых антибиотиков, но и изучением их альтернатив, таких как фаги. Этим занимается, в частности, Исследовательская группа молекулярной эволюции микробов в Институте эволюционной биологии Макса Планка в Плёне.

Фаги — вирусы, заражающие только бактерии — могут очень эффективно бороться с некоторыми бактериальными инфекциями. Однако об долгосрочном успехе большинства фаговых терапий известно мало. В частности, неясно, как бактерии становятся устойчивыми к лечению фагами и, что важнее, могут ли фаги преодолеть такую устойчивость и как.

В недавно опубликованной в Molecular Biology and Evolution статье исследователи из Института эволюционной биологии Макса Планка показали, что Escherichia coli C легко становится устойчивой к фагу ΦX174, модифицируя молекулы на поверхности своей мембраны. Исследователи также показали, что ΦX174 может преодолеть эту устойчивость в рамках определённого эволюционного режима. Эта работа помогает понять эволюцию бактериальной устойчивости к фаговой инфекции и демонстрирует, что при правильных условиях фаги могут эту устойчивость преодолеть.

Бактерии быстро эволюционируют, сталкиваясь с угрозой, будь то лечение антибиотиками или фагами. Природа угрозы определяет тип развивающейся устойчивости. В серии экспериментов Ромейе Дербе и коллеги показали, что бактерия E. coli C становится устойчивой к инфекции ΦX174, модифицируя молекулы своей внешней мембраны — липополисахариды (LPS).

Как только внешняя мембрана E. coli меняется, фаги больше не могут прикрепляться к ней и, следовательно, заражать бактерию. Секвенирование генома и фенотипирование эволюционировавших бактерий показало, что существует большое разнообразие вариантов LPS, которые предотвращают заражение диким типом фага.

Для эффективности фаговой терапии необходимо преодолевать устойчивость бактерий к фагам. В отличие от антибиотиков, где устойчивость обычно преодолевают увеличением дозы или сменой препарата, фаги могут сами эволюционировать, чтобы заражать резистентные бактерии. Дербе и команда показали, что некоторые типы устойчивости можно преодолеть за очень немного поколений фагов («лёгкие» устойчивые штаммы бактерий). Другие «трудные» устойчивые штаммы могли быть заражены только рекомбинированными фагами, которые эволюционировали для заражения «лёгких» устойчивых бактерий.

Эксперименты показывают, что подход экспериментальной эволюции может быть жизнеспособной стратегией для разработки устойчивых к эволюции терапий в будущем. Более того, возможно «выведение» хорошо изученных модельных фаговых систем для заражения опасных бактериальных патогенов. Если можно выводить эффективные популяции фагов, то можно минимизировать затратные по времени и средствам этапы выделения безопасных и эффективных фагов из окружающей среды.