Ученые против бактерий

Антибиотики спасают миллионы жизней. Как показывают последние исследования, их «принимают» даже насекомые.

Люди же одновременно боятся средства «против всего живого» и злоупотребляют ими, вызывая распространение устойчивых к антибактериальным препаратам инфекций. Оказывается, отношения с антибиотиками весьма неоднозначны даже у самих микробов, которые принимают самое непосредственное участие в их производстве.

Старший преподаватель Центра молекулярной и клеточной биологии «Сколтеха» Дмитрий Лукьянов рассказал «Ъ-Науке», зачем ученые охотятся за бактериями на морском дне, в нефтяных скважинах, на Северном полюсе и в высокогорных озерах Тибета, что биологи нашли во рту у медведя и в носу у свиньи, почему советский пенициллин отличался от западного, какой антибиотик назвали в честь героя «Космической одиссеи», как в Гарварде дрессировали микробов в полутораметровой чашке Петри, когда последний раз открывали новый антибиотик и чем чреват сигнал SOS загнанной в угол бактерии.

— Антибиотики убивают бактерии, и спирт убивает бактерии. В чем разница?

— Так ведь и динамит убивает бактерии. Вопрос в принципе действия и мишени. Спирт разрушает клеточную мембрану, поэтому он убивает все живое без разбора. У антибиотиков очень специфические механизмы действия, и они поражают почти исключительно бактерии.

— Насколько точечно может действовать антибиотик?

— Например, только против возбудителя туберкулеза. Так получается, когда антибиотик способен проникать только в одну бактерию. Или только у нее есть особенность молекулярного строения, на которой основано действие антибиотика.

— Но в общественном сознании живет мысль: после антибиотика — «выжженная земля».

— Антибиотики широкого спектра действительно подавляют рост многих бактерий, в том числе дружественных, поэтому их не назовешь ювелирным инструментом. Например, азитромицином лечат респираторные заболевания, воспаление среднего уха, стрептококковый фарингит, хламидиоз, гонорею… Иногда даже малярию, хотя это все-таки исключение: ее вызывает не бактериальная инфекция.

Но даже эти антибиотики убивают лишь некоторые бактерии, а не все живое, как перекись водорода или другой антисептик. И рабочая концентрация другая: чтобы убить одну бактерию, потребуется миллион молекул перекиси или спирта, но хватит сотни молекул антибиотика.

— Каких возбудителей не убивают антибиотики?

— Вирусы, простейшие, паразитические грибы.

— Но людей это не останавливает?

— Да, самая частая история — попытка лечить антибиотиками вирусные заболевания. В пандемию ковида было распространено такое самолечение. При обычном гриппе или простуде больные тоже частенько сами себе «прописывают» антибиотики.

— Как работают антибиотики?

— Здесь нужно понимать, как устроена бактерия и как она живет. Это одноклеточный организм, который, как и мы, хранит генетическую информацию в виде ДНК и синтезирует всевозможные функциональные молекулы: информация копируется с молекулы ДНК в молекулу РНК и в таком виде используется в качестве инструкции по сборке на внутриклеточной «фабрике белков» — рибосоме. В итоге именно белки выполняют большую часть функций в организме, а реализация всего этого цикла синтеза — это и есть жизнь бактерии.

Антибиотики нарушают ключевые процессы этого цикла. Скажем, когда клетка делится, ей нужно создать копию ДНК, и в этом процессе участвуют несколько ферментов, работающих сообща. Но тут появляется левофлоксацин и заставляет некоторые из ферментов резать ДНК, а собрать ее обратно они не могут, и клетка погибает.

Другой ключевой процесс — синтез РНК на основе ДНК тоже при помощи специального фермента. На этот фермент воздействует рифампицин — антибиотик широкого спектра, которым лечат в том числе туберкулез.

Следующий этап — синтез белка в рибосоме. Подавляющее большинство антибиотиков воздействуют именно на эту машину для сборки белков. Например, азитромицин, как пробка, затыкает канал, из которого должен выходить готовый белок, и рибосома перестает работать. Тетрациклины, наоборот, препятствуют подносу к рибосоме аминокислот — «строительного материала» для сборки белка. А некоторые аминогликозиды вызывают ошибки в синтезе белка.

Есть и другие варианты. Например, бывают антибиотики, которые встраиваются в клеточную мембрану и делают в ней дырки. А пенициллин препятствует синтезу клеточной стенки — внешней оболочки бактерии.

— Вы работаете над определением механизмов действия антибиотиков. Зачем это нужно?

— У нас в лаборатории Ольги Донцовой в «Сколтехе» профессор Петр Сергиев и Илья Остерман разработали репортерную систему — она позволяет испытывать действующие вещества на специальных лабораторных штаммах, гиперчувствительных к антибиотикам, и сортировать их на те, что нарушают синтез ДНК или синтез белка. На основании этой информации дальше можно уточнить, как и на какой этап синтеза воздействует тот или иной антибиотик, какие фрагменты молекулы действительно важны, а какие можно менять, чтобы, например, упростить проникновение в клетку.

— Все знают про пенициллин. Какое открытие напрасно обошла слава?

— Во-первых, интересно, что до открытия антибиотиков как молекул те же вещества довольно много применяли в виде экстрактов грибов, например, которыми пропитывали тряпочку для наружного применения. Это тоже открытие, которое кто-то когда-то сделал.

Во-вторых, все знают про пенициллин, но в связи с ним обычно называют три имени — нобелевских лауреатов Флеминга, Чейна и Флори. В этом ряду я бы отметил Зинаиду Ермольеву, которая занималась разработкой пенициллина в Советском Союзе.

А из знаковых антибиотиков назову стрептомицин — первое соединение, эффективное против возбудителя туберкулеза. Оно было обнаружен Зельманом Ваксманом, который к тому же придумал универсальную методику для поиска антибиотиков.

— Золотой век антибиотиков — 1940-е, 1950-е и, может быть, 1960-е годы. А много новых антибиотиков открыли в XXI веке?

— Открытия нового класса антибиотиков ждали почти 30 лет. В марте ученые из канадского Университета Макмастера и Иллинойсского университета в Чикаго (США) опубликовали в журнале Nature статью о лариоцидине — до клинической практики ему еще далеко, и механизм действия у него в целом похож на подобные вещества, но это новый антибиотик. Кстати, один из авторов этой статьи — выпускник аспирантуры «Сколтеха» Дмитрий Травин.

Если говорить о выходе на рынок, то недавно — тоже в марте — федеральный надзорный орган в США одобрил антибиотик гепотидацин для лечения инфекций мочевыводящих путей. Гепотидацин представляет собой новый класс антибиотиков, что колоссально важно для дальнейшей борьбы с устойчивыми к лекарствам штаммами.

— Когда широкое применение антибиотиков началось во времена Второй мировой и потом холодной войны, вокруг них существовала секретность. А сейчас?

— Сейчас секретность другая: из государственной антибиотики перешли в разряд коммерческой тайны. Вряд ли у спецслужб есть папочки с секретными формулами антибиотиков. А вот фармкомпании стараются не показывать, над чем они работают. Открыть новый антибиотик непросто, а потом его нужно внедрить, и это очень долгий путь. Поэтому обычно их стараются максимально доработать, то есть химически модифицировать, чтобы еще до старта испытаний повысить эффективность и снизить токсичность. Значительная часть лекарств отпадает на разных этапах исследований, но до поры до времени фармкомпании не рассказывают даже про те соединения, которые не сработали.

А раньше да, во время Второй мировой войны технология производства пенициллина держалась в секрете, а самого препарата банально не хватало. Поэтому велись параллельные разработки, и в результате отечественный пенициллин даже немного отличался от западного, потому что Ермольевой пришлось искать своего продуцента.

— Кто такие продуценты?

— Обычно это бактерии, чаще всего стрептомицеты, которые вырабатывают антибиотики.

— Бактерии по своей воле вырабатывают антибиотики?

— Тут мы подошли к тому, откуда вообще берутся антибиотики. Большинство антибиотиков, которые мы используем, первоначально были подсмотрены в природе, хотя сейчас они подвергаются модификации. Бактерии и микроскопические грибы синтезируют антибиотики, чтобы бороться с сородичами: питательных веществ в почве мало, а претендентов на них много, и, чтобы победить конкурентов и захватить ресурсы, бактерия синтезирует антибиотик.

— Поэтому антибиотики и имеют такое точечное действие?

— Да, продуценту нужно синтезировать что-то такое, что убьет соседей, но не его самого. Есть разные пути, как этого добиться. Например, пенициллин синтезируют микроскопические грибы (плесень), и у них попросту нет тех ферментов, которые выступают мишенью этого антибиотика. А некоторые бактерии временно модифицируют антибиотик, делая его безвредным, а потом выбрасывают его за пределы клетки уже в опасной форме.

— Похоже на гранату с чекой! А если у бактерии-продуцента сразу несколько конкурентов?

— Бывает так, что один продуцент синтезирует несколько антибиотиков — условно по одному против каждого конкурента.

— Где ученые ищут продуцентов? Правда, что ваши коллеги ездили за ними в Тибет?

— Ищут в воде и почве. Я действительно участвовал в исследовании, для которого наши китайские коллеги собирали образцы в соленых озерах Тибета. Конечно, можно просто выйти на улицу и порыться под кустом, но там рылись и до нас и велик риск не найти ничего нового. Поэтому интересны места уникальные, изолированные, где нет людей, но есть бактерии. Коллеги искали продуцентов в пещерах, но не нашли, потому что там в целом оказалось мало микробов: там темно, холодно и не хватает питательных веществ.

— Но есть же бактерии, которые любят экстремальные условия?

— Да, поэтому этот путь тоже имеет место. Коллеги ездили в экспедицию на Северный полюс, собирали образцы из Северного Ледовитого океана. Микробов ищут и на морских глубинах, и в нефтяных скважинах. Из таких мест сложно получить образцы, но если появляется возможность с кем-то договориться, то мы стараемся не упустить шанс.

— Говорят, искали даже во рту у медведя. Что нашлось? И как ученые туда добрались?

— Это были наши коллеги из Института биоорганической химии РАН. Они нашли там ранее известный антибиотик амикумацин, который потом исследовали. Медведица жила в Сибири, но сами ученые с ней не контактировали: образец слюны передали в лабораторию ветеринары, которые за ней следили. Не так давно в назальной микробиоте свиньи тоже нашли антибиотики. Животные сосуществуют с бактериями-продуцентами, чтобы защищаться от болезнетворных бактерий. Моя коллега Юлия Закалюкина находила продуцентов в микробиоте муравьев и пчел — насекомым антибиотики помогают в борьбе с бактериями-паразитами. Это тоже были ранее известные антибиотики, зато подобные находки интересны энтомологам.

— Получается, первоисточник — это всегда продуцент в живой природе?

— Почти всегда. Дальше с ним можно по-разному работать: тестировать экстракт полученной при культивации бактерий жидкости на штаммах, против которых ищем антибиотик, выращивать продуцента в контакте с бактерией, которую нужно убить, и т. д. Есть довольно хитрые устройства для выращивания в природе бактерий, которые не растут в лаборатории, а таких аж 99%!

Можно выделять из образца почвы или воды всю ДНК, секвенировать ее, находить гены для синтеза антибиотиков (у них есть характерные черты) и клонировать эти кластеры генов в более неприхотливых бактерий — такое у нас в «Сколтехе» делают в лаборатории анализа метагеномов.

— Почему продуцент есть «почти всегда», но не всегда?

— Есть альтернативный подход — поиск в базе данных среди десятков тысяч химических соединений. В одном исследовании мы проверили под сотню тысяч соединений с помощью репортерной системы. Эти базы называются химическими библиотеками. Туда попадают соединения, которые органические химики синтезировали из научного интереса, при подборе аналогов лекарственных молекул или для нужд промышленности. И можно посмотреть, какие из них могут убивать бактерии, и поискать подобные.

— Наверное, тут может помочь машинное обучение?

Да, в США группа под руководством Джеймса Коллинза обучила нейросеть искать у молекул особенности, которые наблюдаются у известных антибиотиков. Машинный скрининг в библиотеке химических соединений дал список потенциальных антибиотиков. Среди них выбрали вещества, которые уже проходили клинические испытания, и проверили на микробах. Действительно, часть из них хорошо убивала бактерии. Посмотрели другие их характеристики и выбрали молекулу, которую ранее исследовали как потенциальное лекарство от сахарного диабета. В этом смысле оно не получилось, зато оказалось антибиотиком. Авторы исследования назвали его галицином (HALicin) — в честь бортового компьютера HAL из «Космической одиссеи» Кубрика.

— Зачем в Гарварде сделали здоровенную чашку Петри?

— Этот эксперимент связан с темой резистентности. Они сделали прямоугольную чашку Петри размером 120 на 60 см и поделили ее на зоны — параллельные полоски. На полосках по краям не было антибиотика, а по мере приближения от краев к центру концентрация росла с трех минимальных ингибирующих (подавляющих рост бактерий) доз антибиотика до 30, 300 и наконец 3 тыс. доз в самом центре. Бактерий заселили на полоски, где не было антибиотика, они там размножились и довольно быстро перекинулись на соседние участки с концентрацией в три минимальные дозы антибиотика. К моменту окончания эксперимента, который продлился 11 суток, бактерии захватили всю чашку Петри. За это время бактерии приобрели в 3 тыс. раз большую устойчивость, чем имели на старте.

— Ужас!

— В целом да, хотя это все-таки комфортные условия для бактерий. В медицине сразу используется очень высокая концентрация антибиотика, которая поддерживается на протяжении определенного периода, чтобы не дать бактериям шанса адаптироваться. Поэтому важно соблюдать рекомендации врача и принимать антибиотики курсом и только по назначению врача. В идеале нужно еще и делать бактериологический посев, то есть определять, какими конкретно микробами заражен пациент и к каким антибиотикам они уязвимы, но это долго, поэтому часто антибиотики назначают по симптомам. Если же мы принимаем антибиотики не по протоколу, то концентрация препарата локально снижается и это дает бактериям шанс приспособиться, вырабатывая способы защиты.

— У отдельных особей случайно появляется полезная мутация, и они начинают быстро плодиться?

— Да, в среднем одна бактерия на 10 млн приобретает какую-то мутацию. При воздействии антибиотика происходит отбор: если какие-то мутации позволяют защищаться, то они распространяются в популяции. Кроме того, у бактерий есть довольно неприятная способность, которая называется SOS-ответ. Эта защитная система запускается, например, при серьезном повреждении ДНК и в том числе начинает усиленно чинить ДНК инструментом, который склонен к ошибкам. Это резко повышает частоту возникновения мутаций. То есть мы пытаемся бактерию убить, а она начинает приспосабливаться с десятикратной силой.

— Как бактерии защищаются?

— Способов много. Скажем, мешают антибиотику проникнуть в клетку или быстро выбрасывают его из клетки. Видоизменяют мишень антибиотика, например рибосому. Еще бактерия может обезвредить антибиотик, модифицировав его молекулу. Это довольно редкий путь, потому что так скорее защищаются сами продуценты, но они могут случайно отдать соответствующие гены бактериям-конкурентам.

— Получив комфортные условия в одном пациенте, резистентная бактерия может вырваться наружу и заразить других?

— Да, так бывает и в быту, но особенно опасно это в контексте больничных инфекций. Поэтому используется ротация антибиотиков.

— Назовите бактерию-мутанта, которая прежде была под контролем, а теперь досаждает людям.

— Золотистый стафилококк. В норме он живет на коже человека, и, пока иммунитет работает нормально, никаких проблем с ним нет. Но если иммунитет ослабевает, то золотистый стафилококк может проникать внутрь и вызывать пневмонию и другие опасные заболевания. Резистентный стафилококк научился выживать в присутствии метициллина и других антибиотиков, которые были против него эффективны, и это проблема.

— Бактерии могут адаптироваться к любому антибиотику?

— Боюсь, что да.

— Мы можем выключить резистентность?

— Иногда у нас есть оружие против их оружия. Например, некоторые бактерии вырабатывают белок, который разрушает пенициллин. Но у нас есть клавулановая кислота — она портит белок, который портит пенициллин. Ее принимают вместе с препаратом.

— Спасет ли нас фаготерапия — заражение болезнетворных бактерий безвредными для людей вирусами?

— Фаги очень хорошо справляются с бактериями. Вопрос, как бактерии будут к ним адаптироваться. Фаг должен найти на поверхности бактерии какой-то белок-рецептор, с которым он связывается, вбросить свой генетический материал внутрь, размножиться там и разрушить бактерию изнутри. Плюс фага в том, что он не просто убивает одну бактерию, как антибиотик, а очень быстро размножается и убивает все больше бактерий. Проблема в том, что бактерия может поменять форму мембранного белка-рецептора и стать невидимой для фага. Поэтому, как и в случае с антибиотиками, часто совмещают несколько разных фагов. И используют фаготерапию под прикрытием антибиотиков.

Сложность в том, что фаг работает против одной конкретной бактерии, так что это решение из области персонализированной медицины: нужно под каждого пациента подбирать свой, как он называется, «фаговый коктейль».

— Причина резистентности — злоупотребление антибиотиками. Что с этим делать?

— Продавать антибиотики только по рецепту врача. В большинстве стран, в том числе у нас, этот порядок и так установлен законом, но на практике не всегда соблюдается. Я из любопытства заходил в разные аптеки и пробовал купить антибиотики: где-то мне отказывал прилежный фармацевт, а где-то были готовы продать. Когда пациенты покупают антибиотики без рецепта, растет вдобавок риск несоблюдения протокола приема: стало лучше — перестал пить. И бактерии получают шанс натренироваться.

Чем меньше мы показываем свое оружие бактериям, тем дольше оно будет работать. А значит, мы дадим ученым время разработать новый, «резервный» класс антибиотиков.

Злоупотребляя антибиотиками, люди вредят и другим, и себе. Если у болезнетворной бактерии выработается устойчивость, то с большой вероятностью даже после выздоровления соответствующие гены останутся у микробиоты пациента (бактерии могут ими случайно обмениваться). И когда ему в следующий раз потребуется от чего-то лечиться, этот конкретный препарат может уже не сработать.

— Кто побеждает — ученые или бактерии?

— Учитывая то, что мы живы и не болеем постоянно из-за заражения резистентными бактериями, пока все-таки побеждают ученые, но если мы не будем пользоваться антибиотиками разумно и аккуратно, то баланс может сдвинуться не в нашу пользу.

Николай Посунько