В научно-исследовательских институтах и на биотехнологических производствах по всему миру к соседству с бактериофагами всегда относятся с особой осторожностью. Молекулярный биолог Артём Исаев, руководитель Лаборатории анализа метагеномов Центра био- и медицинских технологий Сколтеха, лауреат премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых учёных за 2025 год, признаётся, что между учёными из-за этого порой возникает негласное напряжение: «Иногда у ученых, работающих с фагами, возникают конфликты с коллегами. К ним относятся как к “чёрным овцам” — соседствующие лаборатории их немного опасаются и избегают, потому что рядом работать банально опасно для чужих экспериментов. От фаговых лабораторий исходит угроза заражения чистых культур. Это создаёт определённое трение, известное во многих молекулярных институтах».
Фаги — это вирусы, которые избирательно поражают бактерии. Они микроскопичны, невероятно живучи и способны распространяться с поразительной скоростью. Стоит хотя бы одной вирусной частице случайно проникнуть в лабораторную среду, где изучают бактерии, и под угрозой полного уничтожения оказываются ценнейшие научные образцы или культуры, выращиваемые в многотонных промышленных биореакторах.
Новое исследование команды Артёма Исаева, опубликованное в International Journal of Molecular Sciences, проливает свет на одного из самых коварных «врагов» бактериологических лабораторий — группу бактериофагов Т1 (Drexlerviridae). С помощью передовых технологий искусственного интеллекта учёным удалось не только расшифровать геном этого вредителя, но и обнаружить в его арсенале крайне необычное оружие.
«Прыгающие» гены и миллионные убытки
«Фаги — это мобильные генетические элементы, т.е. группа генов, которые научились выпрыгивать из клеток и распространяться горизонтально. Они “хотят” быстрее передаться в другой организм, и используют для этого стратегию убийства клетки изнутри».
Обычно вирусы вне живого организма нестабильны: они высыхают и разрушаются на воздухе или под действием ультрафиолета. Но группа фагов Т1 — исключение. Они обладают уникальной устойчивостью к внешней среде, из-за чего ещё с первой половины XX века известны как главные вредители в лабораториях.
С ними сталкивались ещё отцы-основатели молекулярной биологии и будущие нобелевские лауреаты Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк, когда создавали знаменитую «фаговую группу» для изучения фундаментальных законов генетики. Именно Т1 регулярно заражал их чашки Петри, путая карты первооткрывателям.
«Попав один раз извне, они могут долгое время оставаться в лаборатории. При этом не очень понятно, где находится источник заражения и что от него удалось окончательно избавиться — такой невидимый враг», — рассказывает Артём.
При работе с дозаторами (пипетками) образуются невидимые глазу микроскопические капельки жидкости. «Хотя мы используем специальные фильтры внутри пипеток, вирусы могут проникнуть сквозь фильтр и остаться внутри, сделав такой прибор источником заражения. Кто-то один раз мог поработать неаккуратно, и следующий сотрудник, пользующийся тем же прибором, может ничего не подозревая заразить свои культуры».
Если в академической лаборатории вредитель, с которым воевали Лурия и Дельбрюк, грозит потерей результатов эксперимента, то на производстве биотехнологических продуктов, лекарств или в пищевой промышленности масштабы катастрофы становятся финансовыми.
«На производствах страшная проблема — это заражение биореакторов, в которых культивируются огромные объемы бактериальной культуры. Это могут быть потери миллионов и месяцев работы. Например, производство инсулина — жизненно необходимого лекарства — страдает от таких же Т1 фагов, как и в научных лабораториях. Любое производство белков, в котором используются бактерии, молочнокислая продукция, йогурты — все эти сферы подвержены риску столкновения с фагами. Например, в чан, в котором варится йогурт, попадёт один вирус — и надо вылить несколько тонн продукции и зачищать эту огромную ёмкость».
При этом обнаружить присутствие вируса обычными методами на ранних стадиях невозможно — биотехнологи замечают проблему, когда культура уже полностью погибает. Решить эту проблему команда Исаева предлагает методами метагеномики: «Мы можем выделить тотальную ДНК из образца, отсеквенировать её и понять, что в этой культуре находится вирус, даже если основные признаки заражения еще не заметны».
Вглядываясь в «тёмную материю» биологии при помощи AlphaFold
Парадокс заключается в том, что фаги — самая многочисленная и разнообразная форма жизни на планете, но наука знает о их реальном разнообразии не так много. Физики бьются над загадкой тёмной материи Вселенной, а у молекулярных биологов есть своя «геномная тёмная материя».
«Когда мы начинаем смотреть на вирусы, особенно на какие-то редкие варианты, то для многих генов в их геноме мы не понимаем функцию. Мы не можем даже предсказать, что они собой представляют. Классические алгоритмы, основанные на похожести ДНК, не годятся для вирусов, поскольку отличие одного вируса от другого на уровне ДНК может быть слишком большим».
Однако у белков есть одна хитрость: даже если их генетическая последовательность сильно меняется в ходе эволюции, они стремятся сохранить свою форму — трёхмерную структуру. И здесь на сцену выходит нейросеть AlphaFold, совершившая прорыв в предсказании пространственной формы белков.
«Это новая область филогенетики, основанная на сравнении предсказанных структур, а не на сравнении последовательностей, — рассказывает Артём Исаев. — Она и помогает понять эту тёмную материю генома. С её помощью нам удалось получить новые знания о фаге Т1, который известен уже более 80 лет».
Именно благодаря ИИ учёные обнаружили в исследуемом фаге аномалию: в его системе разрушения клетки был найден белок с доменом SH3. Этот элемент структуры абсолютно типичен для вирусов, заражающих грамположительные бактерии (у которых пептидогликановый экзоскелет находится на поверхности клетки), и даже является предметом активно развивающейся индустрии, так как разрушение такого экзоскелета при помощи белков эндолизинов помогает боротсья с патогенными бактериями. Но наш фаг Т1 специализируется на грамотрицательной кишечной палочке, у которой такой экзоскелет спрятан между двух слоев мембраны, т.е. не доступен для распознавания. Зачем фагу понадобилось такое «неправильное» оружие и как именно оно делает его столь агрессивным — биологам ещё предстоит детально разобраться.
Отпуск в Калининграде и захват пробирок: как появился «KanT1»
Интересна и история обнаружения нового штамма бактериофага, который получил имя KanT1.
«Всё очень просто: Иммануил Кант — символ Калининграда, — с улыбкой объясняет Артём. — Первый автор статьи Полина Ярёма, наш аспирант, родом из Калининграда. Во время своего отпуска она собирала фагов у себя дома. Мы в лаборатории стали их изучать, и оказалось, что это не много разных фагов, а один и тот же! Серия фагов, которые изначально выглядели неодинаково при первичном скрининге, вся была заражена KanT1. Он был одним из многих, но захватил все пробирки в этом эксперименте. В честь символа своего родного города Полина решила так назвать нового фага. К тому же философию все авторы статьи любят».
Этот случай прекрасно иллюстрирует то, как устроена фаговая биология. Вирусы бактерий эволюционируют с невероятной скоростью. Практически любой забор воды из обычного загородного ручья или городского водоёма потенциально может стать открытием нового биологического вида вирусов, ведь их на Земле существует вероятно больше миллиарда.
Охотники за фагами
Благодаря своей невероятной изменчивости и повсеместности, фаги стали идеальным объектом для гражданской науки. Сегодня по всему миру волонтёры и студенты собирают пробы воды из местных водоёмов, помогая учёным пополнять биобанки. Яркий пример — проект Базельского университета в Швейцарии, где исследователи массово привлекают студентов и обычных граждан к поиску новых вирусов. Люди приносят воду из прудов, рек и садовых луж, и среди этих образцов регулярно находят совершенно уникальные организмы, способные уничтожать опасные супербактерии.
Иногда такие поиски приводят в самые неожиданные места. Британские СМИ активно освещали проект учёных из Университета Саутгемптона, которые в рамках борьбы с устойчивостью к антибиотикам предложили жителям присылать образцы воды не только из местных водоёмов, но даже из смывных бачков собственных домашних унитазов. Как оказалось, городская сантехника и канализация — это богатейшая экосистема, и исследователям действительно удалось выделить из этих проб новые перспективные фаги, пополнившие научные коллекции.
Каждая такая находка — это важный шаг для медицины будущего. В мире стремительно развивается фаготерапия — метод лечения тяжелых инфекций с помощью живых бактериофагов. Когда стандартные антибиотики бессильны против эволюционировавших супербактерий, фаги могут стать спасением. В отличие от лекарств, они эволюционируют вместе со своей жертвой и бьют ювелирно точно: уничтожают только конкретный болезнетворный микроб, не нарушая полезную микрофлору человека.
Пока учёные Сколтеха продолжают исследовать характер калининградского KanT1, биотехнологическим производствам стоит приготовиться: методы геномного ИИ-мониторинга могут навсегда лишить столетнего невидимого врага его главного преимущества — внезапности, превратив лабораторных вредителей в ценных союзников новой медицины.