Інструментальна робота з вірусів - звіт про інновації
Бактеріофаги атакують бактеріальну клітину. Вікісховище/Доктор Грем Бордс
Бактеріофаги (коротше фаги) - це віруси, які спеціально атакують і вбивають бактерії. Вони дуже численні за своєю суттю. Саме тому, що вони спеціалізуються лише на одному типі бактерій, дослідники сподіваються, що зможуть використовувати фаги для спеціального лікування певних бактеріальних захворювань. Наприклад, харчова промисловість вже використовує ці віруси для природного знищення збудників харчових продуктів.
Оптимізувати віруси генетично і тим самим пристосувати їх для конкретних цілей залишається складним завданням і займає багато часу. Особливо важко модифікувати фаги для боротьби з так званими грампозитивними бактеріями, такими як стафілокок.
Цільова модифікація фагів
Однак зараз може настати нова ера використання бактеріофагів, оскільки група дослідників під керівництвом Мартіна Лесснера, професора мікробіології харчових продуктів в Цюріху ETH, щойно представила нову технологічну платформу в журналі PNAS. Це дозволяє вченим цілеспрямовано генетично модифікувати фаги, оснащувати їх будь-якими додатковими функціями і нарешті оживляти їх у бактеріальній «сурогатній матері» - клітині лістерії без клітинної стінки.
Завдяки новому робочому середовищу для фагів подібні віруси можна створити дуже швидко, і «ящик інструментів» є дуже модульним: вчені можуть використовувати його для створення майже будь-якого бактеріофага для різних цілей і з безліччю різних функцій.
"Раніше було майже неможливо змінити геном бактеріофага", - говорить Лесснер. Крім того, методи були вкрай неефективними. Наприклад, ген був інтегрований у існуючий геном лише у частці фагів. Тому ізоляція зміненого фага часто ставала пошуком голки в копиці сіна.
«Раніше нам доводилося шукати тих фагів з бажаними властивостями з мільйонів фагів. Тепер ми можемо генерувати всі види вірусів одного типу з самого початку, протестувати їх протягом корисного періоду і, якщо потрібно, знову змінити », - підкреслює Лесснер.
Плануйте віруси на комп’ютері
Колега Лесснера Самуель Кілчер проклав шлях до прориву. Фахівець з молекулярної вірусології використовував методи синтетичної біології для планування генома бактеріофага на кресленні та збирання його з фрагментів ДНК у пробірці. Нові та додаткові функції, такі як ферменти для розщеплення оболонки бактеріальних клітин, були включені в геном фага. Кілчер може також видалити гени, які надають фагам небажані властивості, такі як інтеграція в геном бактерії або вироблення клітинних токсинів.
Для того, щоб повернути частинки фага до життя зі штучної ДНК, геном був введений у сферичні, вільні від клітинної стінки, але життєздатні форми бактерії Listeria (L-подібна Listeria). Потім ці бактеріальні клітини використовують генетичний план для отримання всіх компонентів бажаного фага та забезпечення правильної збірки вірусів.
Дослідники також виявили, що кулясті лістерії не лише виробляють власні специфічні фаги, але й ті, які можуть заражати інші бактерії. Зазвичай господар видає лише свої специфічні віруси. Тому L-подібні лістерії підходять як майже універсальний інкубатор бактеріофагів.
Якщо після цього лістерія лопне, бактеріофаги звільняються, їх можна виділити та розмножити для використання в терапії або діагностиці.
Придатні лише вірулентні фаги
"Ключовою вимогою до використання ефективних синтетичних бактеріофагів є те, що їх геном не може інтегруватися в геном господаря", - підкреслює Кілчер. Якщо це трапиться, вірус вже не є загрозою для бактерії. Однак за допомогою нового методу дослідникам вдалося легко перепрограмувати такі інтегративні фаги, щоб вони втратили здатність інтегруватися і, таким чином, знову стали цікавими для антибактеріального застосування.
Двоє дослідників навряд чи турбуються про можливий опір фагів. Навіть якби такі були, наприклад, бактерії змінювали свою поверхневу структуру, щоб запобігти стикуванню вірусу, нова технологія могла швидко розробити відповідний фаг, до якого бактерія ще не виробила жодної стійкості.
Дослідники також вважають ризик небажаних викидів низьким. Саме тому, що бактеріофаги, як природні, так і синтетичні, дуже специфічні для господаря, вони не можуть довго вижити без свого господаря. Ця висока специфічність також заважає бактеріофагам мати можливість перейти на нову бактерію-хазяїна. "Щоб адаптуватися до поверхневої структури іншого господаря, знадобилося б багато часу на природі", - говорить Лесснер.
Практичне застосування наближається
Завдяки своїй технології команда Loessner зробила великий крок на шляху використання синтетичних бактеріофагів для терапії, діагностики або в харчовій промисловості. Роблячи це, дослідники також долають обмеження, пов'язані з використанням природних фагів. "Наш набір інструментів може допомогти використати потенціал фагів", - говорить Лесснер. Дослідники подали заявку на патент на свою технологію. Зараз вони сподіваються знайти ліцензіатів, які вироблятимуть фаги для терапії та діагностики.
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Перезавантаження міжродних генетичних синтетичних бактеріофагів на замовлення у L-формі бактерій. PNAS 2018 січень, 115 (3) 567-572. doi: 10.1073/pnas.1714658115