Открытие антибиотиков когда-то помогло победить опасные инфекции. Но сегодня все больше бактерий становятся устойчивыми к обычному лечению, и это вызывает серьезную тревогу у врачей и ученых
Но есть и хорошие новости. У резистентных микроорганизмов, которые приобрели устойчивость к действию антибиотиков, есть естественные враги — бактериофаги. Это вирусы, которые атакуют не человека, а сами бактерии. Именно они могут стать ключом к лечению инфекций, с которыми не справляются привычные лекарства.
Вместе с Артемом Исаевым — руководителем лаборатории анализа метагеномов Сколковского института науки и технологий — разбираемся, почему фаговая терапия эффективнее антибиотиков.
Содержание:
Нравится РБК? Главные новости дня, эксклюзивы и аналитика ждут вас:
на радио
в подписке
в Max
в Telegram
в приложениях для Android или iOS
- Что такое бактерии
- Почему антибиотики перестают работать
- Что такое бактериофаги и фаговая терапия
- Как ученые работают с бактериями и вирусами
- ИИ в науке
Бактерии вокруг и внутри нас
Бактерии — это основная форма жизни на Земле. Они появились за миллиарды лет до растений, животных и человека и до сих пор остаются самыми многочисленными организмами на планете. Их количество на Земле оценивают числом с примерно 30 нулями.
Более того, человек тоже во многом состоит из бактерий. В организме среднестатистического человека живет около 40 трлн бактерий — примерно столько же, сколько собственных клеток организма. Многие из них нам необходимы, а другие вредны.
Отношения человека и бактерий можно описать тремя сценариями. В первом случае мы просто не взаимодействуем. Во втором сценарии мы сотрудничаем и получаем взаимную выгоду — например, когда бактерии помогают нам переваривать пищу и усваивать витамины, а мы даем им дом. В третьем — вступаем в конфликт, что приводит к инфекциям и болезням. Исторически именно бактерии были главным врагом человечества. Чума, холера, туберкулез и другие инфекции уносили миллионы жизней.
Ситуацию изменили гигиена и создание новых лекарств, но теперь появляется новая проблема — устойчивость бактерий к антибиотикам.
Почему антибиотики перестают работать
Летом 1928 года британский бактериолог и микробиолог Александр Флеминг уехал с женой в отпуск, оставив немытые чашки Петри с культурами стафилококков в углу кабинета. Когда ученый вернулся, он увидел, что в одной пробирке поселилась плесень, и вокруг нее погибли все бактерии. Это послужило основой для создания мощного оружия против бактерий — антибиотиков.
Антибиотики стали одним из главных открытий медицины XX века. Они позволили лечить инфекции, которые раньше считались смертельными. Но бактерии очень быстро эволюционируют и умеют обмениваться генами между собой. Если у одной бактерии появляется ген устойчивости к антибиотику, он может распространиться и на другие бактерии тоже.
В результате появляются штаммы, на которые лекарства больше не действуют. Ученые считают, что это одна из главных угроз современной медицине. Есть риск, что человечество частично вернется в эпоху до антибиотиков, когда даже простые инфекции могли угрожать жизни.
Поэтому ученые ищут альтернативные способы борьбы с бактериями. Один из самых перспективных — использование вирусов, которые заражают бактерии.
Вирусы против бактерий и фаговая терапия
У каждой бактерии есть естественные враги — вирусы, которые называются бактериофагами или просто фагами. Эти вирусы заражают бактерию, размножаются внутри нее и разрушают клетку.
Разница между антибиотиками и фагами в том, что антибиотик уничтожает сразу много бактерий, включая полезные. Это похоже на бомбу. Фаги действуют точечно — каждый вирус заражает только определенный вид бактерий. Это скорее похоже на работу снайпера.
Но за миллиарды лет эволюции у бактерий сформировалась сложная система защиты из нескольких уровней. Первая линия обороны работает как система охраны на входе. Она «проверяет» инородную ДНК, которая попадает в клетку. Если у молекулы нет специальной химической метки, ее распознают как чужую и сразу уничтожают.
Вирусы тоже эволюционируют. Чтобы обойти защиту, они используют хитрость — после проникновения в клетку они вырабатывают белки-обманки. Эти молекулы имитируют ДНК и отвлекают защитные системы бактерии, позволяя вирусу выиграть время. Если вирусу удается пройти первую линию обороны, включается вторая — так называемый абортивный иммунитет. Зараженная клетка фактически самоуничтожается, чтобы вирус не смог размножиться и заразить другие клетки.
Именно это многовековое противостояние бактерий и вирусов легло в основу фаговой терапии. Сегодня она используется в сложных случаях, когда антибиотики не помогают. Пациент проходит лечение, но ни один препарат не работает. Тогда врачи выделяют конкретную бактерию, вызвавшую инфекцию, и подбирают к ней вирус — бактериофаг.
Для этого используются специальные биобанки, где хранятся тысячи разных фагов. Ученые проверяют, какие из них способны уничтожить нужную бактерию, и создают из них индивидуальный набор, который затем применяют для лечения. По данным исследований, такой подход работает примерно в 70% случаев. Это подтверждает важную идею о том, что для каждой бактерии в природе уже существует вирус, который может ее уничтожить. Задача ученых — найти этот «ключ» к «замку».
Многие страны уже инвестируют в развитие биобанков фагов и персонализированной медицины, и это направление считается одним из ключевых в борьбе с антибиотикоустойчивостью.
Как ученые работают с бактериями и вирусами
В лабораториях бактерии выращивают в виде колоний — маленьких точек на питательной среде. Ученые могут изменять их ДНК, добавлять новые гены и проверять, получилось ли изменение, с помощью анализа ДНК.
Существуют также огромные коллекции бактерий и вирусов, которые хранятся при температуре около −80 ºС. Там могут храниться десятки тысяч различных штаммов. Такие коллекции нужны, чтобы искать новые гены, новые антибиотики, новые ферменты и инструменты для генетической инженерии.
Например, бактерии из Арктики могут содержать уникальные гены, которые помогают им выживать в экстремальных условиях. Эти гены могут оказаться полезными для медицины и биотехнологий.
Искусственный интеллект в помощь науке
Сегодня биология сильно изменилась благодаря цифровым технологиям и ИИ. Раньше, например, определение структуры белка могло занимать годы. Сейчас нейросети могут предсказать структуру белка по последовательности аминокислот всего за несколько минут. Это ускоряет научные открытия и позволяет быстрее разрабатывать новые лекарства и биотехнологии.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта Сбера и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети ГигаЧат, которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО «Сбербанк», 18+ erid: 2SDnjeQy4wL
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.
Читайте также:
Началось объявленное Россией перемирие на Пасху
Иран озвучил список красных линий для переговоров с США
Боевые корабли США вошли в Ормузский пролив на фоне переговоров с Ираном