Бактериофаги: вирусы похожие на роботов, которые, возможно, заменят антибиотики

Многие слышали, что антибиотики в последнее время все меньше помогают людям в излечении от тех или иных болезней. Особенно это стало заметно в последние лет 10-20. Учёные отмечают, что бактерии все лучше и лучше противостоят антибиотикам. Препараты, которые ранее спасали миллионы жизней по всему миру, постепенно теряют свою эффективность. Потенциально это может стать одной из самых серьезных проблем XXI века. В поисках перелома негативной тенденции учёные вновь обращают пристальное внимание на бактериофаги. Это вирусы, напоминающие миниатюрных роботов, которые способны уничтожить бактерии буквально изнутри. Бактериофаги имеют способность избирательно атаковать микробные клетки, что делает их потенциальной альтернативой антибиотикам в борьбе за здоровье человека.

Что такое бактериофаги

Итак, как уже понятно из введения, бактериофаги — это вирусы, их ещё принято называть сокращённо фаги. Они были открыты ещё в 1915 и 1917 годах двумя учеными независимо друг от друга. Исследователи заметили, что некоторые бактерии буквально растворяются под действием неизвестного агента. С этого времени французско-канадский микробиолог Феликс дЭрелль ввел термин «бактериофаги» и описал теорию лечения ими бактериальных инфекций у человека. Однако, изучение такой методики долгое время никого не интересовало, ведь были вполне понятные и действенные антибиотики.

Структура фага действительно сложная, а для многих может показаться и вовсе захватывающей. Фаг состоит из головки, содержащей свой генетический материал (ДНК или РНК), и хвоста, напоминающего шприц или робо-манипулятор. Именно этот хвост позволяет фагу захватиться за поверхность бактерии и ввести свой генетический код внутрь.

Бактериофаги являются самыми многочисленными биологическими существами на Земле. По некоторым оценкам учёных, их количество превышает 10³¹ частиц, что делает их важнейшей составляющей биосферы. Они выполняют важнейшую роль регуляции бактериальных популяций в океанах, почве, кишечнике животных и человека, а также участвуют в круговороте веществ и формировании микробных экосистем.

Как фаги атакуют бактерии

Процесс заражения бактерии бактериофагом можно сравнить с точной и целенаправленной операцией. На самом деле, на мой взгляд, это похоже на высадку зонда на другую планету или астероид. Фаг распознаёт конкретный тип бактерии с помощью специальных белков-рецепторов на своём хвосте. Затем он старается закрепиться с помощью своих клешней за поверхность бактерии. Если ему это удалось, он прокалывает клеточную оболочку и впрыскивает в неё свой генетический материал, буквально заражая собой выбранную бактерию. На этом работа не останавливается, а только начинается. Происходит захват управления, то есть вирусная ДНК перепрограммирует бактериальную клетку, заставляя её производить новые вирусные частицы вместо собственных белков.

После запуска этого процесса бактерия уже обречена, она внутри сама по себе производит бактериофагов, пока их количество не достигнет критического значения. После этого бактерия просто разрывается изнутри, а сотни новых вирусов высвобождаются и ищут себе новую жертву. Если вас ещё вышесказанное не удивило, то добавлю, что весь процесс от закрепления фага до разрыва бактерии и создания сотни новых бактериофагов занимает всего несколько минут. Это демонстрирует поразительную эффективность вируса, как в уничтожении носителя, так и в размножении.

Перспективы применения в медицине

Сегодня бактериофаги переживают научное «воскрешение». В условиях глобальной антибиотикорезистентности фаговая терапия становится всё более перспективным решением. Учёные различных направлений изучают эти вирусы, ведь в отличие от антибиотиков, фаги очень избирательны, и атакуют только конкретные виды бактерий, а не все подряд. Фаги не вредят полезной микрофлоре организма. Потенциально их можно использовать для лечения тяжёлых инфекций, включая стафилококки, синегнойную палочку и кишечную палочку, устойчивые к большинству лекарств. Но и это ещё не всё: в отличие от антибиотиков фаги сами по себе способны эволюционировать вместе с бактериями, что делает их практически «живыми лекарствами».

Сегодня уже проводятся клинические испытания фаготерапии при лечении хронических ран, лёгочных инфекций, сепсиса и заболеваний мочевыводящих путей. В перспективе возможна разработка индивидуальных «фаговых коктейлей», подбираемых под конкретного пациента, что ещё больше повысит их результативность.

Перспективы применения в других сферах

Помимо медицины, фаги могут найти широкое применение в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и экологии. К примеру, в аграрном секторе их используют для защиты растений от бактериальных болезней, что избавляет фермера от необходимости применять пестициды. В пищевой промышленности фаги помогают бороться с патогенными микроорганизмами, предотвращая заражение продуктов.

Также фаги могут применяться в водоочистке, здесь они способны уничтожать вредные бактерии, не нарушая баланс экосистемы. В биотехнологиях они служат инструментом для доставки генетического материала, разработки биосенсоров и даже создания наномашин, вдохновлённых их структурой и работоспособностью. Некоторые учёные рассматривают возможность использования фагов в космических миссиях для защиты биологических систем от микробных угроз.

Заключение

При написании этой публикации я узнал много нового и интересного про бактериофагов. Это действительно удивительные вирусы, которые, возможно, в недалёком будущем заменят нам антибиотики и спасут множество жизней. На этом у меня всё, благодарю всех за внимание.

Источник: Научная статья на frontiersin