Геномный анализ показывает, как десятилетия лабораторного культивирования превратили Clostridium botulinum, бактерию, вызывающую ботулизм, в мощный инструмент для медицины и индустрии красоты.
Попытка спасти консервную промышленность США в 1920-х годах. Программа биологического оружия времен Второй мировой войны и заговор ЦРУ против Фиделя Кастро. Косметический продукт, разглаживающий морщины на лице, который превратился в многомиллиардный бизнес. Новый анализ более 1000 бактериальных геномов связывает эти разрозненные эпизоды в рамках одного микробиологического расследования. Подробно описанное в недавней статье, опубликованной на днях в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), исследование показывает, как ученые невольно спровоцировали эволюцию опасной бактерии в бактерию, обладающую значительными медицинскими и коммерческими преимуществами.
Этой бактерией является Clostridium botulinum, нейротоксин которой нарушает нервную коммуникацию, парализуя мышцы и вызывая удушье у пострадавших. В пересчете на грамм, этот токсин, известный как BoNT, является одним из самых смертоносных известных природных веществ. В условиях отсутствия кислорода — например, в консервированных продуктах — споры Clostridium botulinum могут «пробудиться», превратившись в токсинпродуцирующие бактерии. Именно это произошло со спорами, попавшими в банки с калифорнийскими оливками во время «Великого отравления оливками 1919 года», которое включало в себя печально известный ужин, устроенный детройтским промышленником Мюрреем Сейлзом и его женой, в результате которого погибли двое детей пары, гость и две горничные. («Как смерть неожиданно пришла на ужин к миссис Сейлз», — гласил заголовок в газете «Филадельфия Инквайр»). Также погибли еще девять человек в двух других штатах.
Эти трагедии представляли серьезную угрозу для бурно развивающейся индустрии консервированных продуктов и вызвали новую волну микробиологических исследований, а также принятие в Калифорнии закона, обязывающего отрасль обрабатывать свою продукцию при более высоких температурах. Среди исследователей, присоединившихся к борьбе, был Иван Клиффорд Холл, американский бактериолог, который собрал коллекцию изолятов C. botulinum. Один из них, названный Холлом "штаммом А", стал многократно культивируемой лабораторной «рабочей лошадкой». В процессе своего развития он «одомашнился» — преобразился под воздействием эволюции, вызванной человеком, подобно бесчисленным другим растениям, животным и микробам. Штамм Hall A утратил способность образовывать споры, что облегчило ученым очистку ботулинического токсина, и стал производить исключительно высокие уровни токсина. Эти характеристики сделали штамм Hall любимым объектом для американских военных исследователей, которые в 1942 году начали использовать его для создания биологического оружия и ботулинической вакцины.
В начале 1960-х годов ЦРУ запустило план — в конечном итоге сорвавшийся — по убийству кубинского лидера Фиделя Кастро путем заражения коробки его сигар ботулиническим токсином. (Соединенные Штаты отказались от своей программы биологического оружия в 1969 году и подписали Конвенцию о биологическом оружии три года спустя). Примерно в то же время один военный исследователь, приехав в Университет Висконсина, взял с собой субкультуру штамма А и поделился ею с калифорнийским офтальмологом, который начал проводить эксперименты на обезьянах, чтобы выяснить, может ли BoNT расслаблять глазные мышцы, в надежде найти методы лечения косоглазия. В 1980-х годах британский микробиолог Энди Пикетт и другие, работая с фармацевтическими компаниями, обнаружили, что крошечные дозы BoNT — всего лишь миллиардные доли грамма — производимые потомками бактерий штамма Hall A, могут лечить косоглазие у людей. В 1989 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило очищенный токсин в качестве средства лечения как косоглазия, так и спазмов век. «Это действительно история о том, как мечи перековали на орала», — говорит первый автор нового исследования микробиолог Пол Кейм.
Но произошло нечто интересное: «Некоторые из этих пациентов говорили: „Кстати, доктор, моя мигрень прошла и морщины на моем лице исчезли“», — вспоминает Пикетт. Оказалось, что крошечные количества ботокса, как теперь называется этот препарат, также временно парализуют лицевые мышцы, которые образуют морщины вокруг глаз, лба и носа. Сегодня ботокс — лишь один из нескольких десятков продуктов, содержащих BoNT, и между компаниями, производящими его, разгорелись судебные тяжбы по поводу прав собственности и производственных секретов. Пикетт был нанят в качестве эксперта-свидетеля в нескольких из этих дел, как и Кейм, который ранее сотрудничал с ФБР в расследовании происхождения сибирской язвы, использованной в серии атак в 2001 году.
Чтобы помочь разобраться в различиях между спорными штаммами, Кейм предложил юристам также привлечь эволюционного биолога Ричарда Ленски, который в 1988 году начал ныне известный эксперимент по изучению 12 идентичных популяций Escherichia coli и документированию их эволюции на протяжении десятилетий. (Исследование продолжается до сих пор, спустя почти 85 000 поколений). В рамках своей работы исследователи построили генеалогические деревья C. botulinum на основе общедоступных последовательностей генома и последовательностей, секвенированных ими самими. Они обнаружили, что штамм Hall A и его коммерческие потомки находятся на «неожиданно длинной ветви» генеалогического древа, говорит Ленски, соавтор препринта в PNAS, предполагая, что штаммы в этой линии мутируют гораздо быстрее, чем их родственники. «Это напомнило нам о том, что мы наблюдали в наших экспериментах» с кишечной палочкой, объясняет Ленски. В тех исследованиях некоторые лабораторно выращенные штаммы, которые начали мутировать быстрее, чем обычно, имели дефект в гене, участвующем в репарации ДНК. По предложению Ленски, Кейм и коллеги начали искать аналогичные дефекты у родственников Hall A. И действительно, они нашли один — мутацию в гене, названном mutS.
Кейм говорит, что мутация, вероятно, возникла во время работы Холла со штаммом. В дикой природе она могла бы вскоре исчезнуть, говорит он, но она процветала в лаборатории, отчасти потому, что ученые отдавали предпочтение культурам C. botulinum, которые демонстрировали эффекты мутации. MutS предотвращает трату энергии бактерией C. botulinum на образование спор, позволяя ей хорошо расти и производить необычно большое количество токсина. Метаболические пути бактерии «теперь тонко настроены для жизни в лаборатории, а не в природе», — говорит Кейм.
«Эта работа действительно заполняет огромный пробел в знаниях», — отмечает Пикетт, который сейчас на пенсии и не принимал непосредственного участия в исследовании. Исследование предлагает не только «увлекательный взгляд» на историю штамма Холла и селекции, осуществляемой человеком, говорит Хонг Лей, офтальмолог и невролог, специализирующийся на двигательных расстройствах и использующий ботулинический токсин в различных медицинских целях. «Результаты подчеркивают, что биологические терапевтические средства происходят из живых организмов, чья продолжающаяся эволюция может влиять на производство, стабильность продукта и будущую разработку лекарств», — считает Лей. Пикетт рад, что исследование также привлекает внимание к Холлу, которого он считает забытым героем. Хотя часть «невероятной» коллекции анаэробных организмов Холла попала в другие лаборатории, большая её часть уже не существует. «Она была никому не нужна», — говорит Пикетт. Расшифровка генетики штамма Холла А, по его словам, — это «хорошая дань уважения замечательному ученому».
