Вирусы, которые заражают и убивают бактерии, называются фагами. Они могут стать новым методом лечения опасных инфекций, включая штаммы, ставшие устойчивыми к антибиотикам. Однако вирусологи мало знают о том, как фаги сохраняются в популяциях бактериальных клеток, которые они заражают, что препятствует разработке фаговых терапий.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science, впервые доказывает, что один вид бактерий, являющийся хозяином фага, может поддерживать разнообразное сообщество конкурирующих видов фагов. Исследование, проведенное под руководством ученых Нью-Йоркского университета, показало, что несколько видов фагов стабильно сосуществуют на популяции генетически однородного штамма E. coli ― бактерии, которая колонизирует кишечник человека и включает в себя версии, вызывающие заболевания.
Ученые обнаружили, что, несмотря на конкуренцию между вирусами, разные виды фагов предпочитали более медленные или быстрорастущие клетки, которые случайно появлялись в популяции. Таким образом, каждый вид фага смог найти свою нишу на одном и том же хозяине, что привело к стабильному сосуществованию. Отсутствие локального доступа к питательным веществам (голодание), например, может замедлить рост некоторых клеток, чтобы сохранить дефицитные ресурсы. В данном исследовании два вида фагов, обозначенные как N и S, сосуществовали, поскольку N был более приспособлен к выживанию в быстрорастущих бактериальных клетках, а фаг S ― в медленнорастущих.
Разработчики фаговых терапий надеются избежать проблемы, возникающей при лечении антибиотиками, когда определенный препарат убивает бактерии, но оставляет в живых ту часть, которая по случайности оказалась наиболее устойчивой к механизму действия лекарства. Выжившие бактерии представляют собой серьезную проблему, поскольку они становятся устойчивыми к имеющимся методам лечения.
«Знание того, как несколько видов фагов могут выживать в течение длительного времени на одной бактерии, может помочь в разработке фаговых препаратов следующего поколения», ― говорит первый автор исследования Нора Пайенсон. «Например, каждый вид фагов может атаковать бактерию на разных этапах ее жизненного цикла, что позволит уничтожить всю популяцию до того, как разовьется устойчивость к лечению. Пока ни одна фаговая терапия не стала стандартным методом лечения бактериальных инфекций либо потому, что в прошлых попытках один фаг не убивал все бактерии-мишени, либо потому, что бактерии развивали устойчивость», ― добавляет доктор Пайенсон.
Лаборатории уже тестируют лечение фагами в качестве альтернативы антибиотикам. Например, соавтор статьи Пол Тернер руководит клиническими испытаниями фагов против вида Pseudomonas aeruginosa, который может вызывать сильное воспаление легких у пациентов с муковисцидозом. Лаборатория доктора Шлютера изучает роль фагов в экосистеме кишечника человека и мышей, что может определить будущие методы лечения таких заболеваний, как сальмонеллез. Главная цель ― предугадать последствия применения фагов и разработать терапии, которые, в отличие от существующих, будут работать универсально для многих пациентов.
Понимание видового разнообразия ― один из фундаментальных вопросов экологии и эволюционной биологии. Основным фактором, обеспечивающим разнообразие видов, от птиц до растений и бактерий, является то, что виды находят способы сосуществовать, конкурируя при этом за ресурсы. Однако вирусы традиционно не рассматривались в таком «социальном» контексте.
Команда исследователей экспериментально проверила давнее предположение о том, что генетическое разнообразие бактерий ограничивает разнообразие вирусных видов. Это привело к ожиданию того, что один вид фага будет конкурировать со всеми остальными и станет единственным выжившим. Однако, подобно тому, как многоклеточные организмы являются хозяевами широкого спектра видов бактерий в своем микробиоме, новые результаты показывают, что один штамм бактерий сам по себе может быть хозяином нескольких видов фагов.
Интересно, что наличие разнообразной популяции бактерий в кишечнике человека является признаком здоровья, поскольку набор видов (микробиом) способен противостоять попыткам доминирования любого вторгшегося вида, вызывающего болезнь. В то же время популяция вирусов, населяющих бактерии, живущие в кишечнике, также становится важным регулятором здоровья: считается, что аномальные смеси фагов способствуют развитию таких заболеваний, как сепсис.
«Эта работа представляет собой сдвиг в нашем понимании экологии фагов», ― говорит доктор Шлютер. «Благодаря работе Норы, которую она провела во время пандемии в четырех лабораториях, мы теперь можем начать понимать эволюцию фагов, когда они находятся в сообществе с различными видами вирусов, и то, как это определяет их роль в течение болезни».
[Фото: ru.123rf.com]
