Вскоре после своего открытия более века назад вирусы бактерий, известные как бактериофаги или фаги, были оценены как потенциальные антибактериальные агенты.
Позднее появление антибиотиков затмило дальнейшее развитие "фаговой терапии" в западных странах. Однако распространение бактерий с множественной лекарственной резистентностью стало серьезной проблемой для общественного здравоохранения в XXI веке. Кроме того, так называемая здоровая микробиота, содержащаяся в ферментированных продуктах, ставит ограничения на использование антибиотиков в пищевой микробиологии.
Для решения этих проблем строго литические (вирулентные) фаги могут использоваться в качестве антибактериальных агентов в клинических и ветеринарных условиях или для снижения бактериальной нагрузки в продуктах питания и сельскохозяйственных культурах. Вирулентные бактериофаги являются естественными хищниками бактерий и могут приводить к полному уничтожению бактериальных линий, выпуская потомство в окружающую среду и вызывая быстрое экспоненциальное распространение. Более того, избирательная токсичность фагов позволяет избежать нанесения вреда полезной микробиоте позвоночных животных и пищевых продуктов.
Использование фагов для лечения бактериальных инфекций (фаговая терапия) или контаминации (биоконтроль), несмотря на растущую популярность, может иметь некоторые непредвиденные побочные эффекты. Фаги, несмотря на их летальность для отдельных клеток-хозяев, могут приносить эволюционную пользу популяциям бактерий (Williams, 2012). На длительных временных интервалах вирулентные фаги могут фактически увеличивать скорость роста бактерий, способствуя отбору более быстрорастущих штаммов. Более того, фаги могут передавать гены, повышающие приспособленность штаммов-хозяев, например, гены резистентности к антибиотикам (Haaber et al., 2016; Gunathilaka et al., 2017).
С другой стороны, фаговая терапия имеет такие преимущества, как низкая токсичность для животных и растений, высокая специфичность для хозяина и экспоненциальный рост фагов, что усиливает эффект лечения (Curtright and Abedon, 2011). Для успешной борьбы с распространением бактерий применяются фаговые коктейли, если только один изолят фага не поражает все бактериальные линии, что случается редко. Поэтому составление фагового коктейля представляет собой компромисс между достижением значительного снижения бактериальной нагрузки и минимизацией побочных эффектов, связанных с повышенной сложностью.
В молочной промышленности E. coli, обычно происходящие из фекалий животных, могут образовывать биопленки на поверхностях пищевых производств и нарушать процесс изготовления сыра, вызывая преждевременное заветривание и делая конечный продукт непригодным для употребления человеком. Сыры из сырого молока, особенно мягкие и полутвердые сорта, были связаны со вспышками патогенной E. coli, но молочные продукты нельзя обрабатывать антибиотиками, поскольку они подавляют рост молочнокислых бактерий (Marcó et al., 2014). В отличие от них, бактериофаги более специфичны и не влияют на органолептические свойства сыра.
Фаговая терапия может быть реализована с использованием либо одного штамма фага, либо "коктейля", состоящего из переменного числа фагов. Использование одного штамма требует идентификации фага с наиболее широким диапазоном хозяев. Однако, в то время как большинство вирусов растений и животных имеют широкий ареал обитания, фаги сталкиваются с компромиссом между расширением ареала обитания и своей приспособленностью (вирулентностью и структурной стабильностью) в определенной нише. Кроме того, бактерии могут противостоять атаке фагов с помощью таких механизмов, как системы рестрикции-модификации, адаптивный иммунитет и спонтанные мутации (Labrie et al., 2010). Следовательно, диапазон хозяев фагов (спектр активности), как правило, узкий, часто затрагивающий подмножества штаммов в рамках одного вида бактерий. Такой узкий спектр может препятствовать способности отдельных штаммов фагов влиять на распространение бактерий. С другой стороны, для некоторых фагов спектр хозяев может быть довольно широким и охватывать несколько родов бактерий. Коктейли фагов можно подбирать, комбинируя несколько изолятов для расширения спектра лизиса, а позже их можно переформулировать, если развивается резистентность. Ожидается, что использование сложных коктейлей (более 10 фагов) увеличит спектр активности, а также затраты на производство, воздействие на микробиоту (дисбиоз) и риск горизонтального переноса токсинов, резистентности к антибиотикам или генов вирулентности. Как правило, коктейль, состоящий из 2-10 фагов, представляет собой оптимум между этими двумя крайностями.
Хотя были предложены рекомендации по составлению фаговых коктейлей в соответствии с требованиями качества и безопасности (Merabishvili et al., 2017), несколько доказательств убедительно свидетельствуют об удобстве разработки технологии их составления. Например, сравнение 31 исследования показывает, что наблюдаемое снижение бактериальной нагрузки не увеличивается значительно с размером фагового коктейля. Высокая скорость спонтанных мутаций приводит к быстрой коэволюции фага и бактерий, что затрудняет прогнозирование успеха фаговых коктейлей (Torres-Barceló, 2018). Хотя структура матриц ареалов хозяев основана на коэволюционной динамике фагов и хозяев и может помочь выявить минимальный эффективный размер коктейля, в недавнем опросе (Hyman, 2019) было обнаружено крайне мало согласия в отношении необходимого количества бактерий (большинство ответов колебалось между 20 и 100) для определения ареала хозяев.
В данной работе мы попытались ответить на два вопроса, возникающих при составлении фагового коктейля: сколько и какие изоляты должны составлять коктейль? Для этого мы предлагаем учитывать свойства фагово-бактериальной инфекционной сети (PBIN) при составлении фаговых коктейлей. В частности, мы рассматриваем заполнение (доля успешных инфекций), температуру вложенности, размер (измеряется как количество фагов, умноженное на количество бактерий) и симметрию (количество фагов по отношению к количеству бактерий). Примечательно, что PBIN строятся из матриц ареалов хозяев, и их структура зависит от паттерна коэволюции фаг-хозяин (Weitz et al., 2013).
В данном исследовании сравнивались два алгоритма, которые строят PBIN на основе матриц ареалов хозяев, один генетический и один эвристический. Затем был проведен мета-анализ, включающий 32 недавно опубликованных анализа и 3 матрицы ареала хозяина, состоящие из штаммов E. coli из кустарного молодого молочного сыра и колифагов, выделенных из фекалий овец, для оценки экспериментальных и теоретических PBIN. Нами был предложен параметр "Φ", новый показатель размера фагового коктейля, и для выявления лучших кандидатов для биоконтроля изолированных из сыра E. coli была использована агломеративная иерархическая кластеризация. Полученный коктейль снизил количество бактерий на пять порядков.
Целью настоящей работы было выяснение релевантных свойств PBINs для конструирования фаговых коктейлей. Остается задача разработать инструменты для анализа их долгосрочной эффективности.
