Достать из-под земли
Российские ученые нашли антибиотики для борьбы с устойчивыми к существующим лекарствам бактериями
Новость претендует на звание сенсации века: российские ученые обнаружили в древних пещерах антибиотики, способные бороться с бактериями, устойчивыми к существующим лекарствам.
Фото: Коммерсантъ / Галина Двоеглазова
Фото: Коммерсантъ / Галина Двоеглазова
Фото: Коммерсантъ / Галина Двоеглазова
«Лунное молоко» — малоизученная субстанция, обитающая на сводах древних пещер. Ученые до сих пор не знают, чем, в сущности, является этот беловатый творожистый налет — то ли он продукт жизнедеятельности микроорганизмов, то ли особая форма известняковой пленки. И структура, и свойства у него странные: если помять кусочек «лунного молока» в руках, он становится мягким, как пластилин. Но главное, что выяснили ученые из НИИ биологии Иркутского государственного университета (ИГУ),— непонятная структура из Большой Орешной пещеры (130 км от Красноярска) содержит группу бактерий, синтезирующих антибиотики. Из 120 полученных соединений 100 оказались ранее неизвестны науке. О своем уникальном открытии ученые написали в авторитетном издании в PLoS One.
На самом деле успеху предшествовал долгий путь. Исследователи из НИИ биологии ИГУ не первый год ищут природные антибиотики и отлично знают, что работа в пещерах — дело рискованное, требующее физического и психического здоровья. Не каждый готов, объясняют участники экспедиций, несколько сотен километров пробираться по тайге в кузове грузовика, а потом, спустившись во мрак, под толщу горных пород, где никогда не ступала нога человека, несколько дней жить под землей, передвигаться ползком по грязи, дышать спертым воздухом…
«Огонек» связался с авторами открытия прежде, чем они снова ушли в экспедицию, и расспросил о значении этих поисков. На наши вопросы ответили: профессор Максим Тимофеев, директор Института биологии ИГУ, доктор биологических наук; Денис Аксенов-Грибанов, старший научный сотрудник НИИ биологии ИГУ, кандидат биологических наук и спелеолог; Станислав Гамаюнов, ответственный за организацию экспедиций со стороны НИИ биологии ИГУ.
— Расскажите, пожалуйста, как давно вы ведете поиск антибиотиков и почему для работы выбрали именно пещеры?
Денис Аксенов-Грибанов: Исследования по этому направлению мы начали в 2013-м. Сразу скажу, мы искали новые штаммы актинобактерий (они известны уникальными способностями синтезировать огромное количество биологически активных соединений, в частности антибиотиков.— «О») там, где их еще никто не искал. Начали мы с глубоководных байкальских рачков, полагая, что бактерии способствуют их устойчивости в борьбе с патогенными микроорганизмами и паразитами. А затем приступили к изучению различных экстремальных мест обитания бактерий: отдаленных частей пещер, организмов простейших подземных беспозвоночных и других существ, которые эволюционировали миллионы лет в условиях полной или частичной изоляции и поэтому не сталкивались со средой, измененной человеком.
В пещере Большая Орешная — ее протяженность 58 километров — нас заинтересовали наросты на стенах — пятна «лунного молока». До сих пор нет единой гипотезы образования данной субстанции, поэтому мы проверили ее на наличие бактерий и выделили несколько активных штаммов. Чутье нас не подвело! Далее мы отбирали образцы «лунного молока» и в других пещерах — Баджейской, Ботовской... И везде обнаруживали актинобактерии. Сейчас нами в пяти пещерах, которые мы считаем наиболее интересными, собрана коллекция штаммов, каждая из которых по-своему уникальна.
— Есть какое-то объяснение, почему наши пещеры оказались богаты столь перспективными бактериями?
Максим Тимофеев: Дело в том, что пещеры — это белые пятна планеты. Их можно сравнить с гигантскими «консервными банками», которые в течение миллионов лет собирали в себе информацию о геологических процессах, происходящих на Земле, в том числе о климате, о давно вымерших животных и растениях. А еще пещеры являются местом обитания уникальных организмов, приспособившихся к жизни в полной изоляции от внешнего мира, при отсутствии света и зачастую в холоде. Наши сибирские пещеры достаточно холодные — всего плюс 2–4 градуса.
Наибольший интерес для исследований среди пещер региона представляют Ботовская и Охотничья — они самые древние и разветвленные. Ботовская вообще самая длинная пещера в России, Охотничья — идеальный объект для исследований: в ней каждая экспедиция открывает огромные гроты, широкие ходы. Это истинно живая пещера и в ней очень удобно и комфортно работать. Невозможно не упомянуть пещеры Тажеранской степи, поскольку они образовывались во времена, когда только зарождалось древнее озеро Байкал, то есть более 25–30 млн лет назад!
— Неужто в наши дни осталось что-нибудь неисследованное?
М.Т.: Найти в природе зоны, где не ощущалось бы вмешательство человека в природу, с каждым годом труднее. Но пещеры в этом смысле остаются огромными подземными научно-исследовательскими полигонами. Только скрытая в них информация недоступна «непосвященным»: чтобы добраться до них, требуется специальная экипировка и подготовка, для туристов там слишком опасно.
— И к каким сложностям надо быть готовым?
Станислав Гамаюнов: Отвесные колодцы, узкие ходы (они же «шкуродеры»), абсолютная темнота, низкая температура и высокая влажность воздуха, глина, которая облепляет одежду и обувь, сильно затрудняя перемещение, плюс сумка с научным оборудованием и стерильными инструментами… В общем, для работы в пещерах нужна серьезная физическая, техническая и психологическая подготовка.
Далеко не во всех пещерах можно встать во весь рост и разложить инструменты, чтобы взять образцы. Все непросто: после того как ты прополз на животе несколько километров в темноте и грязи, в той же полулежачей позе нужно открыть пробирку, не заляпав ее грязными руками, обжечь пинцеты, смоченные в спирте, на пламени спиртовки и взять образец. А после пятиться к выходу несколько сотен метров, где можно будет поднять голову выше уровня тела и хотя бы сесть. Ну а когда все позади, в лаборатории, в условиях абсолютной стерильности начинается кропотливая работа по выделению чистых культур бактерий.
— Так что вы нашли? Это действительно новый штамм бактерий или разновидность уже известных?
Д. А.-Г.: Новый. Дело в том, что преимуществом работы микробиолога является то, что каждый штамм, который ты выделяешь из нового источника, будет неизвестным. Так и в нашем случае.
— Как выглядит сам процесс выделения бактерий?
Д. А.-Г.: При поиске новых антибиотиков иногда приходится работать вслепую. Мы делаем микробиологические посевы, взятые из недр пещер, на чашки Петри на разные питательные среды. При этом разные бактерии «любят» разные среды, в составе которых крахмал, овсянка, агар, мясной бульон и др. Поэтому нам нужно попробовать высадить их примерно в 10 разных вариантов сред, чтобы получить результат. В итоге мы получаем множество разнородных по внешнему виду бактерий, а наша задача — отобрать только бактерии одной группы, актинобактерии, и получить из них чистые культуры. Нужно добиться, чтобы на каждой чашке Петри росли бактерии — потомки одной клетки. А они уже продуцируют соединения — химические молекулы, которые потенциально могут быть антибиотиками. От внимательности и усидчивости исследователя при этом будет зависеть обнаружение той единственной одной бактериальной клетки, которая в итоге подарит миру новый антибиотик.
— И что представляет выделенное вами новое химическое вещество? Какие болезни можно будет лечить препаратами, созданными на основе данных соединений?
Д. А.-Г.: Эти бактерии продуцируют соединения, которые активны против бактерий и грибов, например возбудителя молочницы Candida albicans. Также очень важно, что они подавляют активность кишечной палочки, устойчивой к известным и широко распространенным антибиотикам канамицину и ампициллину. При этом новое соединение не подавляет рост безопасных и полезных грибов, что увеличивает шансы на успешное проведение доклинических и клинических испытаний, поскольку соединение, подавляющее рост «всего», будет заведомо токсичным и для человека.
— Сколько времени потребуется для создания лекарства?
Д. А.-Г.: Это почти непредсказуемо. В целом проведение именно микробиологических исследований занимает от нескольких месяцев до года. Тут все зависит от квалификации и компетенции исследователей, целей и задач, тестируемых параметров, оснащения лабораторий и, наконец, от финансирования. В нашем конкретном случае от момента организации экспедиции до выделения штаммов в чистом виде ушло три месяца. Потом еще полгода ушло на то, чтобы в ходе исследований выбрать один активный штамм, который продуцирует 120 соединений. Науке из них известны лишь 20! Для того чтобы определить, какое соединение из 100 неизвестных будет активным, уйдет еще не менее полугода работы. Так что процесс научных исследований длительный и кропотливый.
— Что требуется сделать перед получением разрешения на выпуск лекарственного препарата?
М. Т.: Надежды на проводимые исследования большие, но говорить о производстве пока рано. В производстве лекарственных препаратов действуют жесткие регламенты, предусмотрены серьезные технические испытания. Этим занимаются аккредитованные и сертифицированные лаборатории медицинского профиля. Перед институтом сейчас таких задач не стоит. Нам необходимо «отыскать» штамм и провести научные исследования. А разработкой лекарственных препаратов должны заниматься фармакологи — узкоспециализированные профессионалы в своей области. В целом же путь от первых научных результатов до запатентованного препарата занимает около 10–12 лет. Разумеется, бюджет испытания нового лекарственного препарата с нуля составляет не один миллион долларов. Пока же остается только интенсивно работать и тесно сотрудничать с организациями Минздрава и научного комплекса России.
— Оформляли ли вы патент на открытие? Если да — кому он принадлежит?
М. Т.: Патенты оформляться будут, и их будет много. Сначала — патенты на штаммы, потом — на методики, разработанные и модифицированные штаммы-суперпродуценты и, наконец, на конкретные соединения. Поскольку все опубликованные материалы не могут быть запатентованы, перед нами проблема выбора: работать на развитие производства или заниматься научными исследованиями, которые уже профинансированы. Однако и такие работы требуют определенной отчетности, а именно публикации научных статей в рецензируемых мировых изданиях. Все это быстро сделать невозможно.
— Насколько распространен в мире поиск новых штаммов именно в пещерах? Были какие-то еще открытия?
Д. А.-Г.: Пещеры исследуются микробиологами во всем мире, хоть и не так активно, как почвы, мангровые заросли (вечнозеленые лиственные леса в приливно-отливной полосе морских побережий и устьев рек.— «О») или морские обитатели. Именно в пещерах за последние годы выделено было два антибиотика: цервимицин, разработанный в 2012-м группой в Йене, и гипогеамицин — антибиотик, обнаруженный в актинобактериях редкой группы нономуреи (Nonomurea), подавляющий рост бактерий-бацилл. Его выделяют, в частности, бактерии, полученные из образов в Хардинской пещере, в Теннеси, США.
Вообще, в 2012 году издательством Springer опубликована книга «Микробиомы пещер: новый источник для поиска лекарств». Российские пещеры в ней обделены вниманием также не были, они описаны как одни из перспективных мест биотехнологических разработок. В книгу были включены такие пещеры, как Капова (ее длина 3045 м), Ординская (длина 4400–4600 м). Все это дает шансы обнаружить новые штаммы и антибиотики именно в России. Особый интерес представляют те пещеры, где эволюция организмов шла параллельно с развитием человечества. Пещера Большая Орешная (58 000 м) датируется возрастом более 25 млн лет, а многие пещеры Прибайкалья — свыше 30 млн лет. Мы полагаем, что только при поисках в столь древних местах можно найти что-то новое и ранее не открытое.
— А насколько в принципе актуален вопрос разработки новых антибиотиков?
Д. А.-Г.: Лекарственные препараты разрабатываются постоянно и направлений фармацевтического рынка великое множество. Но за последние 10 лет на европейский фармрынок вышли лишь два или три новых препарата (речь именно о принципиально новых, а не о модификациях уже известных антибиотиков.— «О»). Важно отметить: получить принципиально новые лекарственные соединения и разработать на их основе новые лекарственные препараты из классических источников уже почти невозможно.
Теперь о России. У нас многолетняя история разработок новых лекарственных средств и поиска новых бактерий, но работ по разработке новых лекарственных препаратов из бактерий, выделенных из древних пещер, в России практически не проводилось. Или же исследования и разработки не дошли до публикации. Кроме того, такие исследования не получили, к сожалению, промышленного продолжения.
— Если найти новые бактерии так сложно, может быть, проще их синтезировать?
— Синтезировать бактерии пока невозможно. Но вот модифицировать штамм так, чтобы бактерия синтезировала новое активное соединение в значительно большем количестве, то есть создать штамм — суперпродуцент, реально. Для этого необходимо лишь немного изменить ген, который отвечает за синтез этого антибиотика. С таким же успехом можно и в любую бактерию, встроить ген из другой бактерии, и в результате синтез соединения возрастет. Можно пойти и по иному пути — синтезировать ген искусственно и уже его встроить в бактерию. Это и является одной из задач молекулярных биологов и генетических инженеров, а потому требует серьезных научных исследований.