Бактериофаги

ВЕЗДЕ, ПОВСЮДУ

Враг моего врага

Люди знали о вирусах, или по крайней мере о вызываемых ими симптомах, все время, пока вирусы инфицировали людей. Ученые обнаружили существование вирусов в XIX веке, а к началу XX они узнали о них некоторые важные вещи. Выяснилось, что вирусы являются возбудителями инфекции невероятно малого размера. Они начали связывать возникновение конкретных болезней, вроде вируса табачной мозаики или бешенства, с конкретными вирусами. Однако молодая наука вирусология только проходила этап становления. Она, в основном, была направлена на наиболее беспокоящие нас вирусы – те, которые заражают нас или растения, выращиваемые для употребления в пищу. Кругозор вирусологов был очень узок.

Догадки о реальном масштабе воздействия вирусов появились во время Первой мировой воины. Французские солдаты умирали в больших количествах, причем причиной тому являлись не только немцы, но и бактерии. Микробы попадали в их раны, в еду и питьевую воду. Их проникновение облегчила эпидемия гриппа 1918 года. Она ослабила защитные силы своих жертв, позволяя бактериям проникать в их легкие. Солдаты заражали гражданское население, и в конце концов погибло около пятидесяти миллионов человек – многие из‑за воздействия бактерий.

Сегодня врачи могут лечить эти заболевания при помощи антибиотиков. Но антибиотики изобретут только в 30‑х годах XX века. Во время Первой мировой войны доктора могли лишь очистить рану или, если это не помогало, ампутировать конечность. Пациент зачастую все равно умирал.

В 1917 году, посреди всего этого кровавого безумия, врач канадского происхождения Феликс Д’Эрель (Felix d'Herelle ) сделал открытие, показавшееся ему самому чудом – он открыл вещество, способное убивать бактерии. Это был не антибиотик. Вместо него Д’Эрель открыл то, чего не могли вообразить лучшие умы того времени: вирус, который атаковал не людей или других животных, и даже не растения. Он обнаружил вирус, носителями которого являются бактерии.

Свое открытие Д’Эрель сделал, исследуя вспышку дизентерии среди французских солдат. На одном из этапов своего исследования он пропустил стул солдат через фильтр. Фильтр имел настолько маленькие поры, что даже вызывающие дизентерию бактерии – шигеллы (Shigell) не могли проникнуть внутрь. Получив чистый раствор, он добавил в него бактерии шигеллы, после чего поместил полученную смесь в чашки Петри.

Колонии шигелл начали расти, но через несколько часов Д’Эрель заметил странные разрывы, появлявшиеся в этих колониях. Он взял пробы из этих разрывов и смешал их с новыми образцами шигелл. В чашках он увидел те же разрывы. Д’Эрель заключил, что эти разрывы были полем боя, где вирусы убивали бактерий и оставляли позади их прозрачные трупы. Ученый считал открытие настолько сенсационным, что обнаруженные им вирусы получили собственное названия. Он окрестил их bacteriophages (бактериофаги), что означает «поедающие бактерий». Сегодня их сокращенно называют фагами.

Сама идея существования вирусов, истребляющих бактерии, была настолько странной, что некоторые ученые не могли в нее поверить. Жюль Борде (Jules Bordet ), французский иммунолог, получивший Нобелевскую премию в 1919 году, стал ярым оппонентом Д’Эреля, так как ему не удалось лично обнаружить фагов. Вместо шигелл Борде использовал безвредный штамм кишечной палочки (Escherichia coli). Он пропустил раствор, содержащий кишечную палочку, через очень мелкий фильтр, а затем смешал отфильтрованный раствор со вторым образцом кишечной палочки. Содержащиеся во втором образце палочки погибли, в точности как в эксперименте Д’Эреля. Но затем Борде решил посмотреть, что получится, если смешать отфильтрованный раствор с первым образцом кишечной палочки, тем, который он фильтровал в первом эксперименте. К его удивлению, кишечная палочка в первом образце оказалась невосприимчива. Ворде решил, что его неудавшаяся попытка свидетельствует о том, что отфильтрованный раствор не содержит фагов. Вместо этого, думал он, такой раствор содержал белок, производимый первой кишечной палочкой. Белок оказался токсичен для других бактерий, но не для тех, которые его производили.

Д’Эрель защищался, Борде контратаковал, и спор растянулся на годы. Он продолжался до 40‑х годов, когда ученые смогли наглядно подтвердить, что Д’Эрель был прав. К тому времени инженеры создали электронные микроскопы, мощность которых позволяла рассмотреть вирусы. Когда они смешали убивающий бактерий раствор с кишечной палочкой и поместили его под микроскоп, то увидели фагов, атакующих бактерии. У фагов были угловатые оболочки, содержащие в себе их гены, а вся конструкция держалась на чем‑то, очень напоминающем паучьи лапы. Фаги высаживались на поверхность бактерии, как космонавты на Луну, и вгрызались в ее оболочку, впрыскивая внутрь свою ДНК.

Узнавая больше о фагах, ученые выяснили, что спор между Д’Эрелем и Борде был спором по поводу совершенно разных вещей. Фаги не принадлежат одному виду, и различные виды фагов ведут себя по‑разному в отношении своих носителей. Д’Эрель обнаружил агрессивную форму, представители которой получили название вирулентных фагов, убивающих носителей при размножении. Борде же изучал более «великодушную» форму, представители которой получили название умеренных фагов. Умеренные фаги обходятся со своими носителями во многом так же, как ВПЧ обходится с клетками кожи. Когда умеренный фаг инфицирует бактерию‑носителя, она не разрывается, давая жизнь новым фагам. Вместо этого гены умеренного фага включаются в ДНК носителя, и тот продолжает расти и делиться. Выглядит это так, как будто вирус и его носитель становятся одним целым.

Иногда ДНК умеренного фага все‑таки пробуждается. Она дает клетке команду производить новых фагов, которые вырываются из нее, чтобы инфицировать новых носителей. Как только в бактерию проникает умеренный фаг, она становится невосприимчивой к новым вторжениям. Вот почему Борде не удалось убить свою первую колонию кишечной палочки – она уже была заражена и потому оказалась неуязвимой.

Д’Эрель, не желая ждать окончания спора по поводу фагов, применял их для лечения своих пациентов. Во время Первой мировой войны он обнаружил, что по мере того как солдаты выздоравливают после дизентерии, содержание фагов в их стуле повышается. Он заключил, что фаги на самом деле убивают бактерии. Возможно, если бы он давал своим пациентам большие количества фагов, ему бы удалось справиться с болезнями еще быстрее.

Прежде чем проверить эту догадку, Д’Эрелю нужно было убедиться, что фаги безвредны. Поэтому сам проглотил их, чтобы проверить, заболеет он или нет. Ученый выявил, что может глотать фагов, как он писал впоследствии, «без проявления малейших симптомов заболевания». Он впрыснул фагов себе под кожу и вновь не выявил никаких признаков болезни. Убедившись, что фаги безопасны, он начал давать их больным. Он утверждал, что они помогли пациентам вылечиться от дизентерии и холеры. Когда четверо пассажиров французского корабля, проходившего через Суэцкий канал, слегли с бубонной чумой, Д’Эрель ввел им фагов. Все больные поправились.

Случаи выздоровления его пациентов сделали Д’Эреля еще более известным. Американский писатель Льюис Синклер положил эти исследования в основу своего романа «Эрроусмит», ставшего бестселлером в 1925 году и экранизированного Голливудом в 1931‑м. В то время Д’Эрель разработал фагосодержащие лекарства, которые продавались компанией, ныне известной как L'Oréal . Люди принимали эти лекарства для лечения кожных заболеваний и внутренних инфекций.

Но к 1940 году ажиотаж вокруг фагов начал спадать. Идея о том, что пациентов можно лечить при помощи вирусов, заставляла многих врачей испытывать тревогу. После открытия антибиотиков в 30‑х годах XX века эти врачи восприняли их с гораздо большим энтузиазмом, так как антибиотики не являлись живыми организмами, а были просто химическими веществами, полученными искусственным путем, и белками, производимыми грибками и бактериями. Антибиотики также показали свою невероятную эффективность, часто излечивая инфекцию за несколько дней. Фармацевтические компании прекратили производство фагов Д’Эреля и начали «штамповать» антибиотики. В свете успеха антибиотиков назначение фагов стало неэффективным.

Однако дело Феликса Д’Эреля не умерло вместе с ним в 1949 году. Побывав в 20‑х годах XX века в СССР, он встретился с учеными, желавшими создать целый институт по изучению фагов. В 1923 году он помог советским исследователям основать Институт по изучению бактериофагов, микробиологии и вирусологии им. Элиавы (Eliava Institute of Bacteriophage, Microbiology, and Virology) в городе Тбилиси, ныне являющемся столицей Грузии. В годы своего расцвета в штате института было 1 200 человек, и он производил тонны фагов ежегодно. Во время Второй мировой войны СССР поставлял порошки и пилюли, содержащие фаги, на линию фронта, где они распределялись между инфицированными.

В 1963 году этим институтом было проведено самое масштабное исследование в истории, целью которого было выяснить последствия приема человеком фагов. В исследовании участвовало 30 796 детей из Тбилиси. Раз в неделю около половины детей принимали пилюлю, содержащую фаги, борющихся с кишечной палочкой. Вторая половина получала пустышку, наполненную сахаром. Чтобы минимизировать эффект воздействия окружающей среды, ученые давали пилюли с фагами детям, живущим по одной стороне каждой из улиц, а пилюлю с сахаром – детям, живущим на другой ее стороне. Ученые наблюдали за детьми 109 дней. Среди детей, которые получали пустышку, дизентерией заболели 6,7 из тысячи. Среди детей, принимавших фагов, это число упало до 1,8 на тысячу. Другими словами, прием фагов снижал шанс заболевания у детей на 3,8.

За пределами Грузии лишь немногие узнали о таких впечатляющих результатах, и все благодаря режиму секретности Советского государства. Только после падения СССР в 1989 году информация начала просачиваться. Эти данные вдохновили небольшую, но целеустремленную группу западных ученых провести исследования фаговой терапии и бросить вызов укоренившемуся на Западе нежеланию ее применять.

Эти защитники фагов считают, что не нужно волноваться по поводу использования фагов в лекарствах. В конце концов, фаги обитают во многих продуктах: йогурте, соленьях и салями. Фаги живут и в наших телах, и это неудивительно, если учесть, что каждый из нас несет в себе около ста триллионов бактерий, многие из которых являются носителями для различных видов фагов. Каждый день эти фаги убивают множество бактерий внутри нас без вреда для нашего здоровья.

Аргументом противников фагов было то, что их воздействие слишком узконаправленно. Каждый вид фагов может атаковать один вид бактерий, в то время как антибиотик поражает множество бактерий разом. Однако сейчас становится ясно, что фаготерапия способна бороться со множеством инфекции. Врачам необходимо лишь смешать несколько видов фагов в один «коктейль». Ученые Института им. Элиавы разработали перевязочный материал, в котором содержались шесть видов фагов, поражающих шесть основных инфекций, опасных для открытых ран.

Скептики говорили, что даже если удастся выработать эффективную фаготерапию, то эволюция вскоре сделает ее бесполезной. В 40‑х годах XX века микробиологи Сальвадор Лурия (Salvador Luria ) и Макс Делбрук (Max Delbruck ) наблюдали рост невосприимчивости бактерий к фагам. Когда они подсадили в посуду к кишечной палочке фагов, то большинство бактерий погибло, однако некоторым удалось выжить, и они стали началом для новых колоний. Дальнейшие исследования выявили, что эти выжившие несли в себе мутированные гены, дающие им защиту от фагов. Невосприимчивые бактерии передали свои гены потомкам. Критики фаготерапии утверждали, что она только подстегнет эволюцию невосприимчивых к фагам бактерий, что вызовет резкий скачок инфекций.

Защитники фаготерапии отвечали на это тем, что фаги тоже способны эволюционировать. При размножении они могут приобретать мутации, которые дадут им новые пути для заражения устойчивых бактерий. Ученые могут даже помочь фагам в этом. Они могут среди тысяч видов фагов найти таких, которые станут наилучшим средством в борьбе с определенной инфекцией. Они могут даже, немного повозившись с ДНК, создать фагов, способных убивать по‑новому.

В 2008 году Джеймс Коллинз (James Collins ), биолог из Бостонского университета, и Тим Лю (Tim Lu ) из Массачусетского Технологического университета, опубликовали описание первого вида фагов, специально созданного для убийства бактерий. Этот вид был особенно эффективен благодаря тому, что он атаковал эластичные оболочки, окутывающие бактерий, называемые биопленками. Биопленка становится непреодолимой преградой как для антибиотиков, так и для фагов, не способных пробиться внутрь через ее толстый слой. Коллинз и Лю в научной литературе начали поиски гена, который мог бы позволить фагам лучше разрушать биопленку. В самих бактериях содержатся энзимы, позволяющие им разрушать биопленку и вырываться наружу, когда приходит время заражать новые организмы. Коллинз и Лю синтезировали ген, отвечающий за выработку одного из таких энзимов, и вживили его фагам. Затем они настроили ДНК фагов таким образом, чтобы они начинали производство большего количества энзима при проникновении в микроб‑носитель. Когда они опробовали фаги на биопленке кишечной палочки, фаги проникли в бактерии в верхнем слое биопленки и заставили их производить как новых фагов, так и большее количество энзима. Инфицированные микробы лопались, выпуская энзимы, разрушающие более глубинные слои биопленки, и позволяя фагам заражать содержащиеся в ней бактерии. Сконструированные таким образом фаги способны убить 99,997% бактерий кишечной палочки в биопленке, что в сотни раз превосходит результаты, показываемые обычными фагами.

В то время как Коллинз и другие ученые изобретают способы сделать фаги более смертоносными для бактерий, антибиотики теряют свои лавры. Врачи борются со всевозрастающим количеством бактерий, невосприимчивых ко всем имеющимся сегодня антибиотикам. Иногда врачам приходится полагаться лишь на сильнодействующие лекарства как «последнее средство», обладающие сильными побочными эффектами. Однако есть все основания полагать, что бактерии смогут эволюционировать и станут невосприимчивы и к таким лекарствам. Ученые бьются над разработкой новых антибиотиков, но могут пройти десятилетия, пока препарат из лаборатории попадет на полки аптек. Может, и сложно представить, каким был мир до антибиотиков, но теперь нам нужно представлять, каким будет мир, в котором антибиотики будут не единственными борцами с инфекцией. Сейчас, когда прошло уже более 90 лет с момента открытия Д’Эрелем бактериофагов, они, кажется, готовы стать частью современной медицины.

Зараженный океан

Морские вирусы‑бактериофаги

Некоторые великие открытия вначале напоминают чудовищные ошибки.

В 1986 году выпускница Нью‑Йоркского государственного университета Лита Проктор (Lita Proctor ) решила узнать, как много вирусов содержится в морской воде. В то время считалось, что шанс обнаружить их там почти отсутствует. Те немногие исследователи, кто тратил свое время на их поиски, практически не находили их там. Большинство экспертов считали, что вирусы, обнаруженные в океане, попали туда из канализации и других источников, находящихся на суше.

Через годы несколько ученых собрали доказательства, не укладывавшиеся в данную теорию. Океанолог Джон Сиберт (John Sieburth ) опубликовал снимок морской бактерии и вырывающихся из нее вирусов. Проктор решила, что стоит начать их систематический поиск. Она путешествовала по Карибскому и Саргассовому морям, собирая образцы воды. Когда Проктор взглянула на собранные ею образцы через электронный микроскоп, ее взгляду предстал целый мир вирусов. Некоторые держались отдельно, в то время как другие находились внутри своих бактерий‑носителей.

Основываясь на количестве вирусов, обнаруженных ею в собранных образцах, Проктор предположила, что каждый литр морской воды содержит около ста миллиардов вирусов.

Цифры, полученные Проктор, были несоизмеримы с результатами предыдущих исследований. Немногие ученые бы удивились, узнав, что она по ошибке добавила пару лишних нулей. Но когда другие ученые проводили собственные исследования, которые привели к схожим результатам, то они также пришли к мнению, что в океане живет около 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.

Сложно найти что‑то, с чем можно сравнить такое невероятное число. На каждого обитателя океана приходится по пятнадцать вирусов. Если положить все вирусы океана на чашу весов, то на другой можно разместить семьдесят пять миллионов голубых китов. Если же выстроить все их в одну линию, то она протянется через шестьдесят ближайших галактик.

Все эти цифры не означают, что купание в океане граничит с самоубийством. Только 1/60 часть вирусов в океане способна инфицировать человека. Некоторые морские вирусы инфицируют рыб и других морских животных, но наиболее частой их добычей являются микробы. Микробов хоть и не видно невооруженным взглядом, но они по массе превосходят всех живущих в океане китов, все кораллы и остальные формы океанической жизни. Подобно тому как бактерии в нашем организме подвергаются нападению фагов, морские микробы атакуются морскими вирусами‑бактериофагами (морскими фагами).

Когда Феликс Д’Эрель впервые обнаружил бактериофаги в организмах французских солдат в 1917 году, многие ученые отказывались верить в их существование. Сто лет спустя выяснилось, что Д’Эрель обнаружил самую распространенную форму жизни на Земле. С момента обнаружения Проктор изобилия морских вирусов ученые продолжают делать открытия, подтверждающие их колоссальное влияние на нашу планету. Морские фаги влияют на экологию Мирового океана. Они вносят свой вклад в мировой климат. Кроме того, они оказывали решающее влияние на ход эволюции на протяжении миллиардов лет. Другими словами, они играют роль цементирующего вещества в биосфере.

Сильной стороной морских вирусов является их высокая способность к заражению. За одну секунду три триллиона морских вирусов находят своих носителей. Каждый день вирусы убивают около половины всех бактерий в Мировом океане. Их убийственная эффективность держит под контролем размножение их носителей, и люди в конечном итоге часто оказываются в выигрышном положении. Холера, например, вызывается передающимися с водой бактериями вибрионами (Vibrio ). Однако вибрионы являются носителями для некоторых видов морских фагов. Когда численность вибрионов резко возрастает и случается вспышка холеры, фаги тоже начинают размножаться быстрее. Популяция вирусов растет так быстро, что они убивают бактерий скорее, чем те могут размножаться. Бум размножения бактерий затихает, и эпидемия холеры вместе с ним.

Остановка вспышек холеры на самом деле один из самых незначительных эффектов, вызываемых воздействием морских вирусов. Количество убиваемых ими микробов настолько велико, что вирусы могут влиять на состояние атмосферы Земли. Это становится возможным из‑за того, что микробы являются величайшими геоинженерами Земли. Водоросли и фотосинтезирующие бактерии вырабатывают примерно половину кислорода, которым мы дышим. Водоросли также выделяют газ диметилсульфид, который поднимается вверх и образует облака. Облака отражают поступающий на планету солнечный свет, охлаждая Землю. Микробы также поглощают огромное количество углекислого газа, задерживающего тепло в атмосфере. Некоторые микробы выпускают в атмосферу углекислый газ как продукт своей жизнедеятельности, нагревая нашу планету. Водоросли и фототрофные бактерии, с другой стороны, поглощают в процессе роста углекислый газ, охлаждая ее. Когда микробы в океане погибают, содержащийся в них углерод оседает на океанском дне. Миллионы лет этот «снег» из микробов может постепенно понижать температуру на планете. Более того, мертвая органика имеет свойство превращаться в камень. Белые скалы Дувра, например, состоят из известняковых панцирей одноклеточных кокколитофоридов.

Каждый день вирусы убивают триллионы этих геоинженеров. Когда ставшие их жертвой микробы погибают, их оболочка разрывается, и они выделяют миллиарды тонн углерода. Часть освободившегося углерода играет роль «оплодотворителя», стимулирующего рост других микробов, а другая часть оседает на дне океана. Молекулы внутри клетки клейкие, и когда вирус вспарывает оболочку носителя, освобождающиеся клейкие молекулы могут захватывать молекулы углерода и утягивать их на дно, вызывая подводную «метель».

Океанические вирусы поражают не только своим числом, но и своим разнообразием. Гены человека и гены акулы очень похожи – настолько похожи, что ученым удается найти аналог большинства генов человека в геноме акулы. Генетическое строение морских вирусов, с другой стороны, ни на что не похоже. Во время исследования вирусов в Северном Ледовитом океане, Мексиканском заливе, возле Бермудских островов и в Северной Атлантике ученые идентифицировали около 1 800 000 вирусных генов. Только 10% их генов имеют аналоги в геноме бактерий, животных, растений или даже других вирусов. Остальные 90% были совершенно неизвестны науке. В 200 литрах морской воды ученые обычно находят 5 000 генетически разнообразных вирусов. В килограмме морских отложений может быть до миллиона видов вирусов.

Одной из предпосылок существования такого разнообразия морских вирусов является обилие носителей. Каждый род вирусов должен приспосабливаться для того, чтобы проникнуть в организм носителя. Однако разнообразие может появиться и более мирным путем. Умеренные фаги постепенно проникают в ДНК своего носителя. Размножаясь, носители воспроизводят и ДНК вирусов. Пока ДНК умеренного фага остается невредимой, она имеет возможность вырваться из организма своего носителя во время его стрессового состояния. Но по мере смены поколений ДНК фага мутирует и теряет способность высвобождаться из генома носителя, становясь его неотъемлемой частью.

Воспроизводя вирусы, клетка‑носитель может случайно добавить им собственных генов. Неся в себе гены бывших носителей, вирусы начинают вносить их вместе с собственными в ДНК новых носителей. По приблизительным расчетам вирусы переносят триллион триллионов генов от генома к геному ежегодно.

Иногда «позаимствованные» гены делают носителя вируса более приспособленным в процессе развития и размножения. Успешность носителя автоматически означает успешность вируса. В то время как одни вирусы убивают вибрионов, другие несут гены бактерий, выделяющих токсины, вызывающие диарею во время заражения холерой. Заражение несущими токсины вирусами может стать причиной новых вспышек холеры.

Благодаря заимствованию генов вирусы могут отвечать за выработку значительной части кислорода на Земле.

Распространенный вид океанических бактерий, синехококков, отвечает за четверть происходящего на Земле фотосинтеза. Изучая ДНК этих бактерий, ученые обнаружили, что их способность к фотосинтезу обусловлена позаимствованными у вирусов белками. Ученые нашли даже свободно живущие вирусы, обладающие фотосинтетическими генами, находящиеся в поисках новых носителей. Согласно примерным подсчетам, 10% всего фотосинтеза на Земле происходит благодаря генам вирусов. Вдохните десять раз, и один из этих вдохов будет пожалован нам вирусами.

Циркуляция генов оказала огромное воздействие на существование жизни на Земле. Жизнь, в конце концов, зародилась в океане. Старейшими следами существования вирусов на Земле являются окаменелости морских микробов, датируемые 3 500 000 000 годами до н. э. В океане около 2 миллиардов лет назад появились первые многоклеточные организмы. Наши далекие предки выползли на сушу только 400 тысяч лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых останков, но они оставляют след в геноме своих носителей. Эти следы доказывают существование вирусов на протяжении миллиардов лет.

Ученые могут отслеживать историю генов, сравнивая геномы видов, произошедших в далеком прошлом от общего предка. Это сравнение может, например, выявить гены, переданные древним вирусом своему носителю. Ученые выяснили, что геномы всех живых организмов содержат сотни тысяч генов, переносимых вирусами. Как бы сильно ученые ни углублялись в историю жизни на Земле, они всегда обнаруживали переносимые гены. Хотя Дарвин и представлял себе историю жизни в виде дерева, история генов больше напоминает шумную торговую сеть, имеющую историю длиной в миллиарды лет.

Наши внутренние паразиты