Поскольку резистентность к антибиотикам становится все более серьезной угрозой, научное и медицинское сообщество ищет новые методы борьбы с инфекциями.
Существуют тысячи фагов, но их использование в качестве средств борьбы с конкретными бактериями до сих пор представляло собой сложную задачу. Чтобы оптимизировать фаговую терапию и сделать ее применимой к заболеваниям человека, ученым необходимо превратить фаги в эффективные машины для уничтожения бактерий. Это также позволило бы найти альтернативный способ лечения резистентных бактериальных инфекций.
Исследователи из Института Гладстона приблизились к этой цели, разработав новую методику использования потенциала бактериофагов, разрабов технологию, позволяющую редактировать геномы фагов простым и эффективным способом. Редактирование генома бактериофага может повысить эффективность фагов для уничтожения патогенных бактерий у пациентов и в окружающей среде. Однако существующие методы редактирования геномов фагов требуют трудоемкого скрининга, контрселекции или создания модифицированных геномов in vitro.
Фаги уже успешно используются в клинике для лечения незначительного числа пациентов с опасными для жизни инфекциями, устойчивыми к антибиотикам, но разработка терапии является сложной, трудоемкой и трудно масштабируемой. Врачам приходится проверять коллекции встречающихся в природе фагов, чтобы выяснить, может ли какой-либо из них работать против конкретных бактерий, выделенных у конкретного пациента. «Если мы хотим использовать фаги нам нужен способ создать и протестировать множество вариантов фагов, чтобы найти лучшие», - говорит ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Biotechnology, Сет Шипман. «Новая методика позволяет нам успешно и быстро вносить различные изменения в геном фага и создавать многочисленные варианты».
Группа Шипмана хотела найти способ модифицировать геномы фагов, чтобы создать более крупные коллекции фагов, которые можно было бы проверять на терапевтическое использование, а также собрать данные о том, что делает некоторые фаги более эффективными или что делает их более или менее специфичными для бактериальных мишеней. «Говорят, что враг твоего врага - твой друг», - говорит Шипман. «Наши враги - патогенные бактерии, а их враги - фаги».
Новый подход основан на использовании молекул, называемых ретронами, которые происходят из иммунной системы бактерий и действуют как фабрики по производству ДНК внутри бактериальных клеток. Группа Шипмана нашла способ запрограммировать ретроны таким образом, чтобы они создавали копии нужной последовательности ДНК. Когда фаги заражают колонию бактерий, содержащую ретроны, используя технику, описанную в новом исследовании, фаги интегрируют произведенные ретронами последовательности ДНК в свои собственные геномы.
«Будучи естественными хищниками бактерий, фаги играют важную роль в формировании микробных сообществ», - поясняет Шипман. «Важно иметь инструменты для изменения их геномов, чтобы модифицировать их для уничтожения бактерий». Чтобы точно спроектировать геномы фагов, ученые обратились к ретронам. В последние годы Шипман и его группа стали пионерами в разработке и использовании ретронов для редактирования ДНК человеческих клеток, дрожжей и других организмов. Ученые начали с создания ретронов, которые производят последовательности ДНК, специально предназначенные для редактирования вторгшихся фагов - эту систему группа назвала «рекомбитронами». Затем они поместили эти ретроны в колонии бактерий и позволили фагам заразить их. По мере того как фаги инфицировали бактерию за бактерией, они непрерывно получали и интегрировали новую ДНК из рекомбитронов, редактируя свои геномы в процессе работы.
Исследовательская группа показала, что чем дольше фаги заражали колонию бактерий, содержащую рекомбитроны, тем большее количество геномов фагов подвергалось редактированию. Более того, исследователи могли запрограммировать разные бактерии внутри колонии с разными рекомбитронами, и фаги получали множество правок по мере инфицирования колонии. «Когда фаг переходит от бактерии к бактерии, он приобретает различные правки», - объясняет Шипман. «Сделать несколько правок в фагах - это то, что раньше было невероятно трудно сделать; настолько, что в большинстве случаев ученые просто не занимались этим. Теперь же вы просто помещаете несколько фагов в эти культуры, ждете некоторое время и получаете фаги с множественными правками».
Если ученые уже точно знают, какие изменения они хотят внести в тот или иной фаг, чтобы оптимизировать его терапевтический потенциал, новая платформа позволит им легко и эффективно осуществить эти изменения. Однако прежде чем исследователи смогут предсказать последствия генетических изменений, им необходимо лучше понять, что заставляет фагов работать и как изменения в их геноме влияют на их эффективность. Система рекомбитронов помогает добиться прогресса и здесь. Если в колонию бактерий поместить несколько рекомбитронов и дать фагам возможность заразить колонию на короткое время, то разные фаги приобретут различные комбинации изменений. Затем такие разнообразные группы фагов можно будет сравнить.
«Теперь у нас есть возможность редактировать сразу несколько генов, если мы хотим изучить их взаимодействие или внести изменения, которые могут сделать фаг более мощным убийцей бактерий», - говорит Шипман. Авторы исследования работают над увеличением количества различных рекомбитронов, которые можно поместить в одну бактериальную колонию, а затем передать фагам. Они ожидают, что в конечном итоге фагам можно будет вводить миллионы комбинаций правок для создания огромных библиотек скрининга.
«Мы хотим масштабировать эту работу достаточно широко, с достаточным количеством вариантов фагов, чтобы мы могли начать предсказывать, какие варианты фагов будут работать против тех или иных бактериальных инфекций», - сказал Шипман.
