Вирус бактериофага кем был открыт
Обновлено: 19.04.2024
Середина прошлого века была ознаменована серьёзным открытием в медицине: появились первые антибиотики и зазвучали оптимистичные прогнозы о скорой и окончательной победе человечества над большинством инфекций. Однако на тот период эта мечта оказалась несбыточной, поскольку медики столкнулись с неприятным сюрпризом: мутации и изменение морфологических и функциональных свойств позволили бактериям приобрести устойчивость (резистентность) к самым мощным антибиотикам.
Кто открыл бактериофаги?
В это же время вдали от Франции, в Трапезунде (Турция), грузинский врач Георгий Элиава обнаружил бактерицидное действие воды в реке Кура и, благодаря публикации д’ Эреля, сделал вывод, что причина этого явления - бактериофаг. В 1920 году он открыл в Тбилиси научно-исследовательский институт, специалисты которого приступили к изучению фагов с целью их терапевтического применения. История применения бактериофагов в медицине на протяжении полувека была бы более богатой, если бы не стремительное распространение антибиотиков на Западе, которое привело в середине прошлого века к потере интереса к фагам у большинства фармацевтических компаний.
Однако грузинский НИИ бактериофагов не прекратил свою деятельность и превратился в единственный в мире центр для исследования фагов. В последние десятилетия интерес к теме бактериофагов разгорелся вновь, что, вероятно, можно объяснить развитием лекарственной устойчивости у бактерий к большинству антибиотиков.
Механизм действия бактериофагов
У каждой бактерии есть определённый вирус-фаг, который способен её разрушить. Посредством жгутиков фаги протыкают стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивают свой генетический материал внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл: вначале переключаются механизмы жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножается его геном, развивается ДНК вируса. В итоге бактериальная клетка разрушается и множество фагов устремляется наружу.
Бактериофаги отличаются специфичностью: поражая определённую бактерию, для всех остальных микроорганизмов они безвредны.
Лечение бактериофагами
Благодаря уникальным свойствам избирательного уничтожения болезнетворных бактерий, фаги стали применять для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.
Против каких болезней врачи используют бактериофаги сегодня?
Наиболее широко применяется стафилококковый, стрептококковый, холерный бактериофаги, эффективные в терапии как острых, так и хронических форм заболевания, а также бактерионосительства. Кроме того, существуют фаги для лечения брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллезов. Бактериофаги оказываются единственным эффективным средством в тех случаях, когда вышеуказанные инфекции вызываются не традиционными, а устойчивыми к антибиотикам штаммами.
Использование бактериофагов не ограничивается лишь медицинской сферой. К примеру, с 2007 года в Соединённых Штатах после серии исследований фаги были признаны безвредной добавкой и стали использоваться в качестве консерванта при производстве сыров и других скоропортящихся продуктов.
Открытые вопросы
Бактериофаги не всесильны: как оказалось, бактерии могут быть устойчивы не только к антибиотикам, но и к фагам. В связи с этим применяются методы определения чувствительности бактерий, полученных от пациента, к имеющимся в арсенале доктора бактериофагам.
Другой изучаемой сегодня проблемой является роль бактериофагов в приобретении бактериями генов устойчивости к антибиотикам.
В качестве заключения
Для оценки преимуществ и широких возможностей фаготерапии, несправедливо отвергнутой в определённую эпоху большинством исследователей, потребовалось достаточно много времени. Однако забытый метод переживает в настоящее время второе рождение и имеет все шансы стать эффективным оружием в борьбе человека с миром болезнетворных микроорганизмов. Это позволит фаготерапии развиваться и завоёвывать новые горизонты в современной медицине.
Геном фага Т4 огромен, он содержит 168 903 пар нуклеотидов — всего в 30 раз меньше, чем геном его хозяина, кишечной палочки Escherichia coli. Для сравнения, длина генома папилломавируса человека — 8000 пар нуклеотидов. Что же кодирует такая длинная ДНК бактериофага и как она вообще умещается в головку вируса?
Фаг Т4 — один из самых сложно устроенных вирусов. Он несет в своей ДНК около 300 белок-кодирующих генов, причем из них только 69 необходимы ему для выживания в стандартных условиях лаборатории. Большинство белков фага Т4 не похожи на известные белки других организмов. Но есть и такие, чьи родственники найдены у прокариот и эукариот. Функции многих белков этого вируса до сих пор не установлены, одна только головка состоит по крайней мере из 12 типов белков. Кроме белков, ДНК бактериофага кодирует несколько транспортных РНК и коротких регуляторных РНК — свойство, обычное для самостоятельных организмов, но не распространенное среди вирусов.
Другой интересный пример — белок, который встраивается во внутреннюю мембрану клетки-хозяина (у кишечной палочки, как у любой уважающей себя грамотрицательной бактерии, есть две клеточные мембраны) и не дает генетической информации других бактериофагов попасть внутрь. Есть у Т4 и белки, разрезающие ДНК бактерии-хозяина и проникших в нее других бактериофагов. С ДНК Т4 эти белки они не связываются, поскольку в ее состав вместо нуклеотида цитозина входит модифицированный гидроксиметилцитозин.
Современная модель упаковки ДНК в головку бактериофага Т4
Французский и канадский микробиолог. Первооткрыватель бактериофагов, которых детально описал и предложил использовать для лечения инфекционных заболеваний.
История открытия бактериофагов
Сведения о раннем периоде жизни Феликса д’Эрелля туманны и противоречивы. К примеру, известно, что ученый, которого восемь (!) раз номинировали на Нобелевскую премию, к началу научной карьеры в знаменитом парижском Институте Пастера имел за плечами несколько месяцев учебы в университете, да опыт работы с бактериологическим материалом на алкогольном производстве.
Семья д’Эреллей: слева от ученого – его жена Мари Клер, справа – младшая дочь Хьюберта и старшая Марселла. Париж, 1919 г. © Institut Pasteur – Musée Pasteur
Фотография, сделанная в один из приездов Феликса д’Эрелля в Грузию для работы в Институте бактериофагов, которым руководил его давний друг и соратник Г. Г. Элиава. Крайний слева – Георгий Григорьевич Элиава; рядом с ним – г-жа д’Эрелль. Батуми, Грузия, 1934 г. © Institut Pasteur – Musée Pasteur
Однако этого не произошло. Институт бактериофагов выстоял и превратился в единственный в мире научный центр, где проводились серьезные исследования фагов. В конце 1930-х гг. с помощью холерного бактериофага советским медикам удалось не допустить вспышку этой инфекции на территории СССР. А во время Великой Отечественной войны бактериофаги массово применялись на фронте для лечения ран и предотвращения эпидемий кишечных заболеваний. Удивительно, но холерный бактериофаг, произведенный в походной лаборатории, развернутой в осажденном Сталинграде, во многом предопределил успех Сталинградской битвы. С его помощью удалось предотвратить эпидемию холеры в полевых условиях антисанитарии на территории тяжелых боев.
С именем Г. Г. Элиавы связано зарождение и развитие научно-исследовательской работы в области микробиологии в Грузии. По его инициативе в 1923 году в Тифлисе (с 1936 г - Тбилиси) был организован Институт бактериофагов (сегодня Научно-исследовательский институт бактериофага, микробиологии и вирусологии им. Г. Элиава ).
30 до 10 32 фаговых частиц в биосфере, — и играют ключевую роль в поддержании баланса всех исследованных экосистем. Бактериофаги являются естественными регуляторами и борцами с бактериями и обеспечивают динамическое равновесие в природе, сохраняя относительное постоянство микробного пейзажа в природе и ограничивая рост популяции бактерий. Бактериофаги присутствуют даже в нашей пище — ежедневное поедание бактериофагов с пищей, в которой они присутствуют естественным образом, регулирует микробный баланс в организме человека.
Знаменитый ученый Д, Эрелль представил миру бактериофаги как естественные антибактериальные агенты и предложил использовать их для терапии — еще до открытия антибиотиков.
Бактериофаги в препаратах
Возможность исследования фагов в качестве антимикробных агентов в клинике привлекает внимание мирового врачебного и научного сообщества. Быстрое распространение мультирезистентных к антибиотикам штаммов мутантов вредоносных бактерий разожгло интерес научного сообщества к этому методу с почти 100-летней историей.
Современные биотехнологии позволяют использовать бактериофаговую терапию против большинства бактериальных инфекций. На сегодняшний день созданы лекарственные препараты на основе бактериофагов. История массового применения этих препаратов уходит корнями в трагические времена Великой Отечественной Войны (в 1940 году был создан коктейль из нескольких видов бактериофагов, борющихся с бактериями, вызывающими тяжелые раневые инфекции).
Эти препараты спасли жизни тысячам раненных солдат. Подобный опыт позволил сохранить и развить биофармацевтическое производство бактериофагов в России — сегодня наша страна мировой лидер в производстве этих лекарственных антибактериальных препаратов.
Наука и бактериофаги
В 50-90-е годы их использовали просто как очень удобный объект для исследований: многие фундаментальные открытия в молекулярной биологии, такие как генетический код, рекомбинация, репликация нуклеиновой кислоты, были сделаны на примере бактериофагов, потому что их легко культивировать и они продуцируют большое количество нуклеиновой кислоты.
Бактериофаги и фармацевтическая промышленность Запада
В тридцатых годах прошлого века крупный американский концерн основал даже клинику, где начали лечить фагами. Пропагандисты нового метода сулили исцеление от всех болезней. Однако действительность оставляла желать лучшего: научные основы такой терапии были ещё так скудны, что новое средство применяли практически вслепую. Считалось, что все фаги одинаковы и побеждают любую бактерию. Одним и тем же бактериофагом начинали лечить разные заболевания, а болезнь всё не уходила — так метод был серьёзно скомпрометирован. Мнение о малой эффективности фагов задержалось в кругах медиков на многие годы, живёт оно ещё и сегодня.
Недавно появились публикации исследователей из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке об успехах терапии с помощью фагов.
Кому подходят препараты бактериофагов
Препараты бактериофагов подходят для людей различных возрастных категорий, нуждающихся в профилактике и лечении бактериальных инфекций. Бактериофаги показаны даже беременным, кормящим матерям и детям с 0 лет. Ведь применение бактериофагов абсолютно физиологично.
Какие проблемы решают препараты бактериофагов
Эффективная борьба с бактериальными инфекциями
Усиление действия антибиотиков
Уничтожают только вредоносные бактерии
Эффективная замена антибиотикам
Минимум противопоказаний
Бактериофаги могут применяться как внутрь, так и использоваться для наружного применения
Что такое бактериофаги?
Из чего состоит бактериофаг
Преимущества бактериофагов
Бактериофаги – антибактериальные агенты и природные антисептики
Безопасны и не токсичны, побочные эффекты редки, применяются у новорождённых детей, беременных и кормящих женщин
Действие бактериофагов не затрагивает полезную микрофлору организма, в отличие от антибиотиков
Бактериофаги совместимы со всеми лекарственными препаратами. Применение бактериофагов не ограничивает использование других лекарств и не влияет на их эффективность
Воздействует лишь на чувствительные к ним болезнетворные бактерии, вызывающие инфекционное заболевание, разрушая их изнутри
Бактериофаги выводятся из организма естественным путем
Применение бактериофагов
Сразу после открытия бактериофагов, препараты на их основе стали использовать для борьбы с инфекционными болезнями человека. Однако в результате изобретения антибиотиков и недостатка знаний о бактериофагах их лечебный потенциал не был реализован.
Фаги нашли применение в разных сферах человеческой деятельности, включая био- и нанотехнологии. Например, как простые системы для наработки белков с заданными свойствами или как основа для создания материалов с заданной архитектурой в каталитической химии.
Но все-таки медицина, как и столетие назад, остается главной областью применения этих врагов бактерий. С ростом лекарственной устойчивости бактерий к химическим антибиотикам возросло значение фаготерапии для профилактики и лечения инфекционных болезней человека.
Валентин Викторович Власов — академик РАН, доктор химических наук, профессор, директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Лауреат Государственной премии РФ (1999). Автор и соавтор более 300 научных работ и 20 патентов.
Вера Витальевна Морозова — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор более 30 научных работ и 6 патентов.
Игорь Викторович Бабкин — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 58 научных работ и 2 патентов.
Нина Викторовна Тикунова — доктор биологических наук, заведующая лабораторией молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 120 научных работ и 21 патента.
Когда в 1930-х гг. группа ученых занялась проблемами функционирования живых систем, то в поиске простейших моделей они обратили внимание на бактериофаги — вирусы бактерий. Ведь среди биологических объектов нет ничего проще, чем бактериофаги, к тому же их можно легко и быстро выращивать и анализировать, а вирусные генетические программы невелики.
Фаг — это минимального размера природная структура, содержащая плотно упакованную генетическую программу (ДНК или РНК), в которой нет ничего лишнего. Эта программа заключена в белковую оболочку, снабженную минимальным набором устройств для ее доставки внутрь бактериальной клетки. Бактериофаги не могут размножаться сами по себе, и в этом смысле их нельзя считать полноценными живыми объектами. Их гены начинают работать только в бактерии, используя имеющиеся в бактериальной клетке биосинтетические системы и запасы молекул, необходимых для синтеза. Однако генетические программы этих вирусов принципиально не отличаются от программ более сложных организмов, поэтому эксперименты с бактериофагами позволили установить основополагающие принципы устройства и работы генома.
В дальнейшем эти знания и разработанные в ходе исследований методы стали фундаментом для развития биологической и медицинской науки, а также широкого спектра биотехнологических приложений.
Бактериофаги — наши друзья, когда речь идет о бактериях, патогенных для человека. Однако есть и другие, дружественные нам бактерии, которые используются в современных биотехнологических производствах, а также в традиционных производствах пищевой промышленности, таких как сыроварение и т. п. В этих случаях фаги могут приносить большой вред, поскольку в больших популяциях микроорганизмов, находящихся в стадии интенсивного роста, создаются благоприятные условия для размножения фагов, что приводит к лизису производственных бактериальных культур. При производстве сыра проблема не столь серьезна, так как при этом обычно применяют закваски, состоящие из многих культур, часть которых выдержит фаговую атаку и продолжит процесс молочнокислого брожения. Серьезные неприятности возникают, если весь процесс основан на применении одного конкретного бактериального штамма, как, например, при производстве антибиотиков или терапевтических белков.
Борцы с патогенами
Первые попытки использовать бактериофаги для лечения инфекционных заболеваний были предприняты практически сразу после их открытия, однако недостаток знаний и несовершенные биотехнологии того времени не позволили достичь полного успеха. Тем не менее дальнейшая клиническая практика показала принципиальную возможность успешного применения бактериофагов при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, при острых гнойно-септических состояниях больных, для лечения хирургических инфекций и т. д.
По сравнению с антибиотиками бактериофаги имеют ряд преимуществ: они не вызывают побочных эффектов, к тому же строго специфичны для определенных видов бактерий, поэтому при их использовании не нарушается нормальный микробиом человека. Однако такая высокая избирательность создает и проблемы: чтобы успешно лечить пациента, нужно точно знать инфекционный агент и подбирать бактериофаг индивидуально.
Бактериофагами лечат инфекционные болезни не только людей, но и домашних и сельскохозяйственных животных: мастит у коров, колибактериоз и эшерихиоз у телят и свиней, сальмонеллез у кур. Особенно удобно применять фаговые препараты в случае аквакультуры — для лечения промышленно выращиваемых рыб и креветок, так как в воде они долго сохраняются. Бактериофаги помогают защитить и растения, хотя применение фаговых технологий в этом случае затруднено из-за воздействия природных факторов, таких как солнечный свет и дождь, губительных для вирусов.
Фаги могут сыграть большую роль в поддержании микробиологической безопасности продуктов питания, так как применение антибиотиков и химических агентов в пищевой отрасли не решает эту проблему, одновременно снижая уровень экологической чистоты продукции. О серьезности самой проблемы говорят статистические данные: например, в США и России ежегодно регистрируется до 40 тыс. заболевших сальмонеллезом, из которых 1% умирает. Распространение этой инфекции в значительной степени связано с выращиванием, переработкой и потреблением различных видов птицы, и попытки применить для борьбы с ней бактериофаги дали многообещающие результаты.
Так, американская компания Intralytix производит фаговые препараты для борьбы с листериозом, сальмонеллезом и бактериальным загрязнением кишечной палочкой. Они разрешены к применению как добавки, предотвращающие размножение бактерий на продуктах питания — их распыляют на продукты из мяса и домашней птицы, а также на овощи и фрукты. Эксперименты показали, что коктейль из бактериофагов может быть успешно применен и при транспортировке и реализации живой прудовой рыбы для снижения бактериального загрязнения не только воды, но и самой рыбы.
Очевидным применением бактериофагов является дезинфекция, то есть уничтожение бактерий в тех местах, где их не должно быть: в больницах, на пищевых производствах и т. п. Для этой цели британская компания Fixed-Phage разработала метод фиксации фаговых препаратов на поверхностях, обеспечивающий сохранение биологической активности фагов до трех лет.
Эксперимент американских исследователей А. Херши и М. Чейза с использованием бактериофагов, меченных изотопами серы и фосфора, доказали роль ДНК как основного носителя генетической информации
В качестве объектов для своих исследований М. Дельбрюк и его сотрудники использовали мутантные бактериофаги так называемой Т-серии, поражающие кишечную палочку
Семь дней творения
Современные методы синтетической биологии позволяют не только вносить различные модификации в фаговые геномы, но и создавать полностью искусственные активные фаги. Технологически это несложно, нужно только синтезировать фаговый геном и ввести его в бактериальную клетку, а там он уже сам запустит все процессы, необходимые для синтеза белков и сборки новых фаговых частиц. В современных лабораториях на эту работу уйдет всего несколько дней.
Генетические модификации применяют, чтобы изменить специфичность фагов и повысить эффективность их терапевтического действия. Для этого наиболее агрессивные фаги снабжают узнающими структурами, связывающими их с целевыми бактериями. Также в вирусные геномы дополнительно встраивают гены, кодирующие токсические для бактерий белки, нарушающие метаболизм, — такие фаги более смертоносны для бактерий.
Универсальный способ защиты бактерий от всех внешних воздействий — так называемые биофильмы, пленки из ДНК, полисахаридов и белков, которые бактерии создают совместными усилиями и куда не проникают ни антибиотики, ни терапевтические белки. Такие биопленки — головная боль врачей, так как они способствуют разрушению зубной эмали, образуются на поверхности имплантов, катетеров, искусственных суставов, а также в дыхательных путях, на поверхности кожи и т. п. Для борьбы с биофильмами были сконструированы особые бактериофаги, содержащие ген, кодирующий специальный литический фермент, разрушающий бактериальные полимеры.
Большое число ферментов, сегодня широко использующихся в молекулярной биологии и генетической инженерии, были открыты в результате исследований бактериофагов.
Фаговые антибиотики
В терапевтических целях фаги необязательно использовать напрямую. За миллионы лет эволюции бактериофаги разработали арсенал специфических белков — инструментов для распознавания целевых микроорганизмов и манипуляций с биополимерами жертвы, на основе которых можно создавать противобактериальные препараты. Наиболее перспективными белками такого типа являются ферменты эндолизины, которые фаги используют для разрушения клеточной стенки при выходе из бактерии. Сами по себе эти вещества являются мощными антибактериальными средствами, нетоксичными для человека. Эффективность и направленность их действия можно повысить, изменив в них адресующие структуры — белки, специфически связывающиеся с определенными бактериями.
Большинство бактерий делятся по устройству клеточной стенки на грамположительные, мембрана которых покрыта очень толстым слоем пептидогликанов, и грамотрицательные, у которых слой пептидогликана расположен между двумя мембранами. Использование природных эндолизинов особенно эффективно в случае грамположительных бактерий (стафилококков, стрептококков и др.), поскольку пептидогликановый слой у них расположен снаружи. Грамотрицательные бактерии (синегнойная палочка, сальмонеллы, кишечная палочка и др.) являются менее доступной мишенью, поскольку ферменту, чтобы добраться до внутреннего пептидогликанового слоя, необходимо проникнуть сквозь внешнюю бактериальную мембрану.
Для преодоления этой проблемы были созданы так называемые артилизины — модифицированные варианты природных эндолизинов, содержащие поликатионные или амфипатические пептиды, которые дестабилизируют внешнюю мембрану и обеспечивают доставку эндолизина непосредственно к пептидогликановому слою. Артилизины обладают высокой бактерицидной активностью и уже показали свою эффективность при лечении отитов у собак (Briers et al., 2014).
Примером модифицированного эндолизина, избирательно действующего на определенные бактерии, является препарат P128 канадской компании GangaGen Inc. Он представляет собой биологически активный фрагмент эндолизина, соединенный с лизостафином — адресующей белковой молекулой, которая связывается с поверхностью клеток стафилококков. Полученный химерный белок обладает высокой активностью против разных штаммов стафилококка, в том числе обладающих множественной лекарственной устойчивостью.
Анализируя размножение фагов в присутствии целевых бактерий, можно количественно определить численность последних. Так как количество фаговых частиц в растворе возрастет пропорционально числу содержавшихся в нем бактериальных клеток, то для оценки численности бактерий достаточно определить титр бактериофага.
Специфичность и чувствительность такой аналитической реакции достаточно высока, а сами процедуры просты в исполнении и не требуют сложного оборудования. Важно, что диагностические системы, основанные на бактериофагах, сигнализируют о наличии именно живого патогена, тогда как другие методы, такие как ПЦР и иммуноаналитические, свидетельствуют лишь о наличии биополимеров, принадлежащих этой бактерии. Такого типа диагностические методы особенно удобны для использования в экологических исследованиях, а также в пищевой индустрии и сельском хозяйстве.
Вероятно, с помощью модифицированных фагов удастся решить и давнюю задачу глобальной важности — разработать дешевые и быстрые методы детекции возбудителей туберкулеза на ранней стадии заболевания. Задача эта очень сложна, поскольку микобактерии, вызывающие туберкулез, отличаются крайне медленным ростом при культивировании в лабораторных условиях. Поэтому диагностика заболевания традиционными методами может затягиваться на срок до нескольких недель.
Фаговая технология позволяет упростить эту задачу. Суть ее в том, что к образцам анализируемой крови добавляют бактериофаг D29, способный поражать широкий спектр микобактерий. Затем бактериофаги отделяют, и образец перемешивают с быстрорастущей непатогенной культурой микобактерий, также чувствительной к этому бактериофагу. Если в крови первоначально имелись микобактерии, которые были инфицированы фагами, то в новой культуре будет также наблюдаться наработка бактериофага. Таким образом можно выявить единичные клетки микобактерий, а сам процесс диагностики с 2–3 недель сокращается до 2–5 дней (Swift & Rees, 2016).
Фаговый дисплей
Из экспериментов Смита последовало два важных вывода: во-первых, используя технологию рекомбинантных ДНК, можно создавать огромные по разнообразию популяции численностью 10 6 –10 14 фаговых частиц, каждая из которых несет на своей поверхности разные варианты белков. Такие популяции назвали комбинаторные фаговые библиотеки. Во-вторых, выделив из популяции конкретный фаг (например, обладающий способностью связываться с определенным белком или органической молекулой), можно этот фаг размножить в бактериальных клетках и получить неограниченное число потомков с заданными свойствами.
Принципиальная схема процедуры биопеннинга — отбора высокоспецифичных рекомбинантных антител к конкретной мишени-антигену из комбинаторной библиотеки фагового дисплея на основе нитчатых бактериофагов. По: (Тикунова, Морозова, 2009)
На сегодня можно выделить два основных направления применения фагового дисплея. Технология на основе пептидов используется для исследования рецепторов и картирования сайтов связывания антител, создания иммуногенов и нановакцин, а также картирования сайтов связывания субстратов у белков-ферментов. Технология на основе белков и белковых доменов — для отбора антител с заданными свойствами, изучения белок-лигандных взаимодействий, скрининга экспрессируемых фрагментов комплементарной ДНК и направленных модификаций белков.
С помощью фагового дисплея можно вносить узнающие группировки во все виды поверхностных вирусных белков, а также в основной белок, формирующий тело бактериофага. Вводя в поверхностные белки пептиды с заданными свойствами, можно получить целый спектр ценных биотехнологических продуктов. Например, если этот пептид будет имитировать белок опасного вируса или бактерии, узнаваемый иммунной системой, то такой модифицированный бактериофаг представляет собой вакцину, которую можно просто, быстро и безопасно наработать.
Одним из важных применений метода фагового дисплея белков является создание фаговых библиотек рекомбинантных антител, где антигенсвязывающие фрагменты иммуноглобулинов расположены на поверхности фаговых частиц fd или М13. Особый интерес представляют библиотеки антител человека, поскольку такие антитела могут быть использованы в терапии без ограничения. В последние годы только на фармацевтическом рынке США продается около полутора десятка терапевтических антител, сконструированных с использованием этого метода.
Так как вирус представляет собой достаточно жесткую конструкцию с определенным соотношением размерностей, это обстоятельство позволяет использовать его для получения пористых наноструктур с известной площадью поверхности и нужным распределением пор в структуре. Как известно, именно площадь поверхности катализатора является критическим параметром, определяющим его эффективность. А существующие на сегодня технологии формирования на поверхности бактериофагов тончайшего слоя металлов и их оксидов позволяют получать катализаторы с чрезвычайно развитой регулярной поверхностью заданной размерности. (Lee et al., 2012).
Нитчатый бактериофаг М13, размножающийся в обычной кишечной палочке (а), может нести на своей поверхности рекомбинантные чужеродные белки, такие как антитела (б) либо пептиды (в). Он также может служить шаблоном для создания наноустройств и наноматериалов, таких как нанокристаллический катализатор с известной площадью поверхности и нужным распределением пор (г)
Путем покрытия нитчатых фагов золотом и двуокисью индия были получены электрохромные материалы — пористые нанопленки, меняющие цвет при изменении электрического поля, способные реагировать на изменение электрического поля в полтора раза быстрее известных аналогов. Подобного рода материалы перспективны для создания энергосберегающих ультратонких экранных устройств (Nam et al., 2012).
На основе комплексов бактериофага М13, двуокиси титана и одностенных углеродных нанотрубок были также созданы материалы для солнечных батарей (Dang et al., 2011).
Последние годы ознаменовались широкими исследованиями бактериофагов, которые находят себе все новые применения не только в терапии, но и в био- и нанотехнологиях. Их очевидным практическим результатом должно стать возникновение нового мощного направления персонализированной медицины, а также создание целого спектра технологий в пищевой промышленности, ветеринарии, сельском хозяйстве и в производстве современных материалов. Мы ждем, что второе столетие исследований бактериофагов принесет не меньше открытий, чем первое.
Литература
1. Бактериофаги: биология и применение / Ред.: Э. Каттер, А. Сулаквелидзе. М.: Научный мир. 2012.
2. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М.: Мир. 1974. 614 с.
3. Тикунова Н. В., Морозова В. В. Фаговый дисплей на основе нитчатых бактериофагов: применение для отбора рекомбинантных антител // Acta Naturae. 2009. № 3. C. 6–15.
4. Mc Grath S., van Sinderen D. Bacteriophage: Genetics and Molecular Biology. Horizon Scientific Press, 2007.
Читайте также: