С тех пор как Александр Флеминг открыл пенициллин, в медицине началась новая эра. Болезни и раны, часто оказывавшиеся раньше смертельными, теперь уже не выглядят такими угрожающими. Риск развития опасных инфекции после хирургических вмешательств сократился до минимума. Но у антибиотиков есть две проблемы: неспецифичность и антибиотикорезистентность. Обе эти проблемы одним махом позволит решить подход, предложенный американо-французской группой ученых в журнале Nature Biotechnology.
У антибиотиков есть определенный механизм действия. Одни продырявливают клеточную стенку бактерии, другие ингибируют работу определенного бактериального фермента, третьи не дают бактерии синтезировать белок. Антибиотики относительно безвредны для человека (по сравнению, например, с препаратами для химиотерапии онкологических заболеваний), потому что молекулярные механизмы бактерий и человека сильно отличаются. Вещество, ингибирующее работу рибосомы бактерии, не будет ингибировать рибосому человека.
Но в организме человека живет много не причиняющих вреда или даже полезных бактерий. На них антибиотики действуют точно так же, как и на болезнетворные бактерии. Их гибель нежелательна для человека. Гибель симбиотических бактерий в желудочно-кишечном тракте может привести к проблемам с перевариванием пищи. Кроме того, в организме человека, на коже и слизистых оболочках популяции разных видов бактерий и грибов находятся в хрупком равновесии. Представители разных видов сдерживают друг друга, иммунная система следит за ними всеми, и никто друг другу не мешает. Сокращение численности бактерий одного, чувствительного к антибиотику, вида часто влечет за собой экспансию бактерий другого вида или грибов, которые в мирное время не докучали, и организму приходится бороться с еще одной инфекцией. Разумеется, это все не настолько страшно, чтобы отказываться от приема антибиотиков, когда к этому есть показания, но довольно неприятно.
Проблема, связанная с резистентностью к антибиотикам, гораздо серьезнее. ДНК бактерий, как и ДНК любого другого организма мутирует. В стрессовых условиях даже быстрее обычного. Например, если используемый антибиотик должен ингибировать бактериальный фермент, то в гене, кодирующем этот фермент, может произойти мутация таким образом, что получившийся новый фермент будет также справляться со своей функцией, а ингибироваться антибиотиком уже не будет. Получив эту мутацию, бактерия будет успешно размножаться в присутствии антибиотика, и пациент не будет выздоравливать.
В самых запущенных случаях бактерия делается устойчивой сразу к нескольким антибиотикам. В таких случаях говорят о полирезистентности. Полирезистентность бактерии туберкулеза на сегодняшний день стала уже очень заметной проблемой. Участились случаи, когда при всех успехах современной медицины больному не удается помочь. Проблему антибиотикорезистентности усиливает способность бактерий обмениваться генами между собой. Ген, дающий бактерии устойчивость, может оказаться закодированным не в геноме бактерии, а в плазмиде – молекуле ДНК небольшого размера, существующей отдельно от основного генома. Плазмиды могут попадать из одной бактерии в другую или из бактерии в окружающую среду (например, после ее смерти), а оттуда в новую бактерию, удаление папиллом. Многие бактерии, почувствовав, что их дела плохи, могут даже усиливать свою восприимчивость к плазмидам из окружающего мира.
Метод, разработанный авторами статьи, позволяет убивать только патогенные бактерии или разрушать внутри бактерий плазмиды, дающие устойчивость к антибиотикам.
Ученые взяли на вооружение систему CRISPR/CAS9 (мы уже немного писали о ней), позаимствованную у бактерий. У бактерий CRISPR/CAS9 играет роль иммунной системы. Благодаря присутствию в геноме последовательностей, совпадающих с ДНК врагов бактерий – бактериофагов, бактерии опознают бактериофагов на раннем этапе инфекции, и белок Cas9 разрезает ДНК фагов. Механизм этого похож на механизм РНК-интерференции. После предыдущих инфекций аналогичным бактериофагом в геноме остаются фрагменты его ДНК. С них синтезируется РНК. По принципу комплементарности эта РНК взаимодействует с геномом нового фага, белок Cas9 с помощью других белков распознает эту структуру и разрезает ее. Если искусственно синтезировать нужную РНК, комплементарную любой заранее выбранной последовательности, и ввести ее в клетки вместе с конструкцией, кодирующей белок Cas9, то любая ДНК в клетке будет разрезаться в выбранном месте.
Авторы работы синтезировали генетические конструкции, кодирующие белок Cas9 и последовательности, комплементарные генам, которые отвечают за патогенность и устойчивость к антибиотикам у золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Эти конструкции они упаковали в бактериофаги и заразили этими бактериофагами безвредные штаммы S. aureus, патогенные штаммы и устойчивые к антибиотику штаммы. Оказалось, что бактерии непатогенного штамма не пострадали, патогенного погибли, а устойчивые утратили устойчивость. Непатогенные и неустойчивые штаммы после такой обработки уже не могли стать патогенными или устойчивыми, захватив плазмиду из окружающей среды, потому что конструкция оставалась в клетках навсегда.
Разумеется, такой метод гораздо дороже химически синтезируемых антибиотиков, но некоторые инфекции уже не оставляют выбора.
