Вирусы и бактерии – великое противостояние

Создание современной технологии геномного редактирования, которая уже с успехом применяется на разных животных, растениях, грибах и бактериях, базируется на исследованиях бактериальных систем CRISPR-Cas. Изначально предполагалось, что они участвуют в ликвидации повреждений бактериальной ДНК, но в 2007 г. стало ясно, что истинное предназначение этих систем – борьба с вирусами бактерий, бактериофагами. Всего за девять лет наука проделала гигантский путь от раскрытия механизма бактериального иммунитета до редактирования геномов людей – в настоящее время уже проводятся первые эксперименты по редактированию ДНК человеческих эмбрионов. У бактерий имеются и другие «иммунные» механизмы, изучение которых, возможно, создаст предпосылки для новых прорывов в биомедицине

Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.

Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al. , 1994).

Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изу­чены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al. , 1993).

Кто защищен – тот вооружен

На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.

В ходе эволюции происходила и сейчас происходит селекция бактерий, способных избежать гибели при инфицировании вирусами, что, в свою очередь, служит стимулом для бактериофагов совершенствовать свои агрессивные стратегии. Эта «гонка вооружений», длящаяся несколько миллиардов лет, т. е. ровно столько, сколько существуют сами бактерии и их враги, породила целый ряд изощренных механизмов защиты и нападения

Вирусная атака начинается с прикрепления фага к специфическому рецептору на поверхности бактериальной клетки, но при потере рецептора или изменении в его структуре связывания вируса не происходит. Бактерии могут менять рецепторы в зависимости от окружающих условий, таких как плотность и разнообразие микроорганизмов в среде, а также доступность питательных веществ (Bikard et al. , 2012). Любопытный пример - ​бактерии вида Vibrio anguillarum , которые способны формировать биопленку , т. е. плотный слой клеток, прикрепленный к какой-либо поверхности. У этой бактерии имеется своего рода «чувство кворума», за счет чего при увеличении плотности клеток у них понижается выработка рецептора, с которым может связываться вирус. В результате биопленка становится почти полностью устойчивой к заражению (Tan et al. , 2015).

Однако потеря рецепторов не всегда выгодна для бактерии, поскольку они выполняют разнообразные важные функции, например, транспорт питательных веществ или формирование межклеточных контактов (Lopez-Pascua et al. , 2008). В результате для каждой пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции находится оптимальное решение, обеспечивающее приемлемый уровень защиты при сохранении возможности роста бактерий в различных условиях среды.

Следующий защитный механизм – исключение супер­инфекции . Для бактериофагов известны два основных пути инфекции: литический , приводящий к быстрой гибели зараженной бактерии с высвобождением вирусного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда наследственный материал вируса находится внутри генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК, не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится в состоянии лизогенной инфекции, то, с точки зрения «домашнего» вируса (профага ), ее заражение другим вирусом нежелательно.

Действительно, многие вирусы, встроившие свою ДНК в геном клетки, ограничивают вновь проникшего в клетку бактериофага («суперинфекцию») посредством специальных белков-репрессоров, не позволяющих генам «пришельца» работать (Calendar, 2006). А некоторые фаги даже препятствуют другим вирусным частицам проникнуть в инфицированную ими клетку, воздействуя на ее рецепторы. В результате бактерии – носительницы вируса имеют очевидное преимущество по сравнению с незараженными собратьями.

В 1978 г. за открытие ферментов рестриктаз швейцарский генетик В. Арбер и американские микробиологи Д. Натанс и Г. Смит были удостоены Нобелевской премии. Изучение систем рестрикции-модификации привело к созданию технологии молекулярного клонирования, которая широко применяется во всем мире. С помощью рестриктаз можно «вырезать» гены из генома одного организма и вставить в геном другого, получив химерную рекомбинантную ДНК, не существующую в природе. Различные вариации этого подхода используются учеными для изолирования отдельных генов и их дальнейшего изучения. Кроме того, он широко применяется в фармацевтике, например, для наработки инсулина или терапевтических антител: все лекарства такого рода созданы с помощью молекулярного клонирования, т. е. являются продуктом генной модификации

Во время инфекции все ресурсы бактериальной клетки направлены на производство новых вирусных частиц. Если рядом с такой клеткой будут находиться другие уязвимые бактерии, то инфекция быстро распространится и приведет к гибели большинства из них. Однако для таких случаев у бактерии имеются так называемые системы абортивной инфекции , которые приводят ее к запрограммированной гибели. Конечно, этот «альтруистичный» механизм не спасет саму зараженную клетку, но остановит распространение вирусной инфекции, что выгодно для всей популяции. Бактериальные системы абортивной инфекции очень разнообразны, но детали их функционирования пока изучены недостаточно.

К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации , в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу . Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4-6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.

В ДНК бактерии, содержащей такую систему, все сайты модифицированы. И если бактерия заражается вирусом, ДНК которого не содержит подобной модификации, рестриктаза защитит от инфекции, разрушив вирусную ДНК. Многие вирусы «борются» с системами рестрикции-модификации, не используя в своих геномах последовательности, узнаваемые рестриктазой, – очевидно, что вирусные варианты с другой стратегией просто не оставили потомства.

Последней и в настоящее время самой интересной системой бактериального иммунитета является система CRISPR-Cas, с помощью которой бактерии способны «записывать» в собственный геном и передавать потомству информацию о фагах, с которыми они сталкивались в течение жизни. Наличие таких «воспоминаний» позволяет распознавать ДНК фага и эффективней противостоять ему при повторных инфекциях. В настоящее время к системам CRISPR-Cas приковано пристальное внимание, так как они стали основой революционной технологии редактирования геномов, которая в будущем, возможно, позволит лечить генетические заболевания и создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений.

Врага нужно знать в лицо

Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25-40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al. , 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ), а сам процесс приобретения спейсеров – ​адаптацией .

Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией . Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс , который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров ). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al. , 2012; Jinek et al. , 2012).

Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строе­нии и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al. , 2015; Shmakov et al. , 2015).

Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli ). Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.

В системах II типа эффекторный комплекс образован единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Именно простота и относительная компактность таких систем послужили основой для разработки технологии редактирования ДНК. Согласно этому методу, в клетки эукариот (например, человека) доставляют бактериальный белок Сas9 и крРНК, которую называют гидовой (гРНК). Вместо спейсера вирусного происхождения такая гРНК содержит целевую последовательность, соответствующую интересному для исследователя участку генома, например, где есть мутация, вызывающая какую-то болезнь. Получить же гРНК «на любой вкус» совсем несложно.

Эффекторный комплекс Cas9-гРНК вносит двуцепочечный разрыв в последовательность ДНК, точно соответствующую «гидовой» РНК. Если вместе с Cas9 и гРНК внести в клетку и последовательность ДНК, не содержащую мутацию, то место разрыва будет восстановлено по матрице «правильной» копии! Таким образом, используя разные гРНК, можно исправлять нежелательные мутации или вводить направленные изменения в гены-мишени. Высокая точность программируемого узнавания мишеней комплексом Cas9-гРНК и простота метода привели к лавинообразному росту работ по редактированию геномов клеток животных и растений (Jiang & Marraffini, 2015).

Гонка вооружений

В ходе эволюции бактерии и бактериофаги выработали ряд приспособлений, которые должны обеспечить каждому из участников «гонки вооружений» преимущество в борьбе с противником или возможность уклониться от его атаки.

Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направленные изменения в геноме бактерий, которые наследуются и дают бактериям явное преимущество, спасая от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas можно считать примером ламарковской эволюции, при которой происходит наследование благоприобретенных признаков (Koonin et al. , 2009)

Что касается систем CRISPR-Cas, то если фаг обзаведется мутацией в протоспейсере, эффективность его узнавания эффекторным комплексом снижается, и фаг получает возможность заразить клетку. Но и бактерия не оставит без внимания такую попытку ускользнуть от CRISPR-Cas: в качестве ответной реакции она начинает с резко возросшей эффективностью приобретать новые дополнительные спейсеры из ДНК уже «знакомого» фага, пусть и мутировавшего. Такое явление, названное праймированной адаптацией, многократно повышает эффективность защитного действия систем CRISPR-Cas (Datsenko et al. , 2012).

Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции (Bondy-Denomy et al. , 2015). Еще одно ухищрение - обмен участков генома вируса, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности (Paez-Espino et al. , 2015).

Результаты работ нашей лаборатории свидетельствуют, что зараженные клетки на самом деле погибают даже при наличии защиты CRISPR-Cas, но при этом они ограничивают численность вирусного потомства. Поэтому CRISPR-Cas правильнее относить к системам абортивной инфекции, а не к «настоящим» иммунным системам.

Благодаря постоянному совершенствованию биоинформатических алгоритмов поиска, а также включению в анализ все большего количества прокариотических геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем является делом недалекого будущего. Предстоит также выяснить и детальные механизмы работы многих недавно открытых систем. Так, в статье, опубликованной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, образующий эффекторный комплекс с крРНК, который нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh et al. , 2016). В будущем такое необычное свойство может быть использовано в медицине для регулирования активности генов путем изменения количества кодируемых ими РНК.

Изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность и отвлеченность от задач практической медицины, принесло неоценимую пользу человечеству. Примерами этого могут служить методы молекулярного клонирования и редактирования геномов – направленного внесения или удаления мутаций и изменения уровня транскрипции определенных генов.

Благодаря быстрому развитию методов молекулярной биологии всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем CRISPR-Cas была создана работающая технология геномного редактирования, способная бороться с болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми. Доступность и простота этой технологии позволяют рассматривать ее как основу для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и биотехнологий будущего, которые будут базироваться на направленных и безопасных генных модификациях.

Нет никаких сомнений, что дальнейшее изучение взаимодействия бактерий и их вирусов может открыть перед нами такие возможности, о которых мы сейчас даже не подозреваем.

Литература

Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353: aaf5573.

Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.

Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol. 2012. V. 1 P. 15–20.

Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.

Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press. 2006.

Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR/Cas adaptive bacterial immunity system // Nat. Commun. 2012. V. 3. P. 945

Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.

Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.

Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct. 2009. V. 4. P. 42.

Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.

Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.

Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have emerged recently in the dairy industry // Appl. Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.

Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46. P. 167–178.

Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.

Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014. V. 21. P. 528–534.

Nuñez J. K., Lee A. S., Engelman A., Doudna J. A. Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015b. V. 519. P. 193–198.

Paez-Espino D., Sharon I., et al. CRISPR Immunity Drives Rapid Phage Genome Evolution in Streptococcus thermophilus // MBio. 2015. V. 6: e00262–15.

Shmakov S., Abudayyeh O. O., Makarova K. S., et al. Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems. // Mol. Cell. 2015. V. 60. P. 385–397

Tan D., Svenningsen S. L., Middelboe M. Quorum sensing determines the choice of antiphage defense strategy in Vibrio anguillarum. // mBio 2015. V. 6: e00627–15.

Westra E. R., van Erp P. B., Künne T., et al. CRISPR immunity relies on the consecutive binding and degradation of negatively supercoiled invader DNA by Cascade and Cas3 // Mol. Cell. 2012. V. 46. P. 595–605.

Вы когда-нибудь задумывались зачем нужно было строить метро по всему миру почти двести лет назад? Ведь на поверхности не было транспортных пробок, а Генри Форд еще даже не запустил свой первый конвейер? Никто тогда и поверить не мог, что автомобиль станет доступен каждому, а метро уже было построено. А, возможно, его никто и не строил, а просто откопали?

Одним из интересных фактов, доказывающих что метро не строили, а откапывали является история строительства первого пневматического метро. Вот что говорят официальные источники по этому поводу.

В 1868 году компания "Пневмотранзит" во главе с изобретателем Альфредом Бичем начинает строить подземный тоннель для пневматических поездов.

Для постройки тоннеля он арендует подвал магазина одежды в Нью-Йорке, а работы ведутся ночью, так как официального разрешения от властей не было. Они убеждают всех, что строится маленький тоннель для пневмопочты. Для постройки они использовали, так называемый, проходческий щит Альфреда Бича, который соорудил сам изобретатель.

И уже через два года первые посетители зашли на подземную станцию.

Тоннель построили за очень короткий срок, всего за 2 года, за это время они пробурили 100 метров под землей, обложили все это кирпичом, построили подземную станцию с хорошей отделкой, установили 50 тонный компрессор и стали возить людей.

Но сроки слишком маленькие, даже по меркам современности. Илон Маск бы позавидовал такой скорости строительства. При том, что в основном работу делали ночью.

Станцию освещали кислородно-водородные газовые лампы, деревянная отделка, рояль, длина тоннеля 95 метров, за первый год работы метро перевезло 400 тыс. человек, потом Альфред все-таки получает разрешение на строительство такого метро под всем городом, но фондовый рынок падает, магазин горит, а про метро благополучно забывают.

Вспомнили про него только через 40 лет и то ненадолго. Тогда рабочие бродвейского метро случайно натолкнулись на этот тоннель, там находился проходческий щит, ржавые рельсы и вагончик.

Что не так в официальной версии:

Как можно было забыть за это время про такой грандиозный проект и даже потерять все чертежи и план тоннелей?

Как проходческий щит попал в подвал магазина, что за подвал должен быть с заездом под паровоз, скорее всего магазин был построен на готовом допотопном тоннеле.

Обнаружили уникальное сооружение прошлого века, почему не сделали музей - это ведь первое американское метро, обновили бы вагончики, было бы красиво и прибыльно, почему так быстро постарались забыть, щит в итоге пропал, вагончики тоже.

В Англии строителя первого метро, Брюнеля, не забывают, а его первые наброски очень напоминают американское метро, сделал он их еще до американского метро и американец тоже их видеть не мог, так как они никогда не публиковались. Как они задумали одно и тоже одновременно.

Какое может быть объяснение? В Америке могли найти реальный туннель с оборудованием, с компрессором, с вагончиками, расчистили старые тоннели, такая версия объясняет все странности:

и короткий срок строительства
и желание властей забыть о проекте.
А вот старейший Канадский тоннель, который используется как канализация, тоже напоминает первое забытое метро.

А в Лондоне такую канализацию построили в 19 веке и строили тоже как первое метро Нью-Йорка.

А вот фотографии 1904 года, открытие метро в Нью-Йорке.

Здесь бросается в глаза огромный тоннель и убогая тележка, 50 лет до этого Альфред Бич использовал вагоны почти современные, но в 1904 году они строят убогие тележки.

А вот план метрополитена, сложнейший современный проект.

А на втором фото мы видим как реализован этот проект, современный план и древняя каменная кладка. Опять сложные технологичные вещи идут рука об руку с какими-то отсталыми технологиями.

По фотографиям метро в Париже видно как откапывают старое и приспосабливают под новое. Опять такие же тоннели.

Возникает ощущение, что была зачистка старых тоннелей. Для фактической проходки щит должен быть диаметром внешней кладки кирпича а не внутренней.

В Москве с 1933 по 1935 построили целую линию, а сейчас несколько лет одну станцию строят, причём неглубокого залегания, на многих старых станциях арочные своды как в старинных зданиях. Первые станции красивые как дворцы.

Что же произошло с планетой, метро, статуи, пирамиды, церкви-приемники атмосферного электричества, а памяти нет.

ДРУГОЙ ВЗГЛЯД

Не кажется ли вам, дорогие комрады, что практически все появляющиеся новые заболевания являются вирусными? ВИЧ,новые штаммы гриппа свиной, птичий и прочие болезни являются вирусными инфекциями. Да и старые известные болезни вдруг стали вызывать эпидемии там, где их отродясь не было? Чикунгунья встречалась в Африке, Азии и на Индийском субконтиненте. И вдруг появились заболевшие в Европе и Америке. В 2007 году передача болезни была впервые зарегистрирована в Европе - в локализованной вспышке болезни на северо-востоке Италии. С тех пор вспышки болезни были зарегистрированы во Франции и Хорватии. Еще одна опасность, которая грозит человечеству, - это появление в мире нового коронавируса. Коронавирус - это шаровидной формы вирус с выростами, одна из его форм привела к эпидемии атипичной пневмонии в 2003 году. Начиная с осени 2012 года, и сейчас идет по нарастающей, появился суперновый коронавирус, который по своей геномной структуре отличается от того, что в нашей стране называли атипичной пневмонией. Эти примеры можно перечислять долго....

А теперь вспомним босоногое детство. Чем болели? Ну, понятно, корь, ветрянка и простуда. Только она называлась ангиной. И носила, как правило, бактериальный характер. А сейчас, почему-то в основном ОРВИ. Острое Респираторное ВИРУСНОЕ заболевание. То есть грипп. Да, и раньше болели гриппом. И эпидемии были. Вспомним хотя бы испанку. Но в моем детстве я не помню, чтобы закрывали детский сад на карантин. Да и школу не закрывали. Бывало, что при температуре -25 занятия отменяли. Это счастье то какое! В школу не надо, значит целый день на катке шайбу гоняли. И в институте не было карантина. А сейчас чуть ли не каждый год эпидемия гриппа. С введением карантина в школах и детсадах. С чего бы это? Вроде бы и лекарства стали лучше и числом поболее. Не то что мамино варенье малиновое да горчичники. А болеют больше и тяжелее. Почему?

А всё дело в том, что мы бесконтрольным и бессистемным применением антибиотиков нарушили свою микробиоту. Дело даже не в том, что стали появляться новые резистентные штаммы бактерий. Дело в том, что убивая бактерий без разбора мы уничтожаем и полезных для нас. Которые защищают нас от вирусов. Об этой опасности писала ещё в прошлом веке наша замечательная ученая Агния Аркадьевна Морова. О её работах я писал на АШ Она ещё тогда предсказала, что будут появляться новые медленно текущие смертельные вирусные инфекции. И ВИЧ появился при её жизни! Гениальное предсказание... Тогда на её работы не обратили особого внимания. Тем более, что она не публиковалась в зарубежных англоязычных научных журналах. Но в последнее время стало появляться всё больше публикаций, в которых её идеи находят подтверждение. Вот пример http://www.pnas.org/content/108/13/5354 Не буду переводить полностью, скажу в двух словах. Микробиота носоглотки защищает нас от вируса гриппа. Если же при лечении гриппа использовать антибиотики, то состояние только ухудшается. То есть убивая антибиотиками симбионтные микроорганизмы мы только помогаем вирусу гриппа свалить нас с ног. Вот статья из "Саенс" http://science.sciencemag.org/content/357/6350/498.full Суть та же самая. Только речь идет уже о кишечных бактериях. Метаболиты, которые образуются в результате деятельности кишечных бактерий, стимулируют выработку интерферона – белка, который подавляет размножение вируса. А мы их антибиотикам! То есть своих же помощников уничтожаем....

Как же работает эта защита? Начнем с того, что мы не хозяева планеты. Мы гости в мире вирусов и бактерий. Они появились на многие миллиарды лет раньше нас. И, скорее всего, нас также переживут, как пережили первых хордовых, динозавров и мамонтов. Многие миллиарды лет до нашего появления на планете царствовали вирусы. Или что-то на них похожее, типа прионов. Живыми их назвать язык не поворачивается. Но эти безмозглые твари научились копировать свой генетический материал и размножаться. На том, что им Бог послал в виде первичного бульона. И все разнообразие жизни пошло от этих крохотных, видимых только в электронный микроскоп частичек. Постепенно они стали эволюционировать и появились бактерии. Которым уже не стало хватать первичного бульона. И они научились питаться вирусами. А чего добру пропадать? Плавают тут разные куски белковых молекул... давай их на закуску. Справедливости ради надо сказать, что не только бактерии научились питаться вирусами. Но и некоторые вирусы оказались не прочь ими закусить. Они сохранились до сих пор. Называются бактериофаги. Кстати, лечение бактериофагами, рекламируемое ныне зарубежными клиниками, началось во времена СССР. Впервые их обнаружил в 1915 году британский бактериолог Фредерик Творт. Через два года учёный из Института Пастера Феликс Д"Эрель сделал доклад, в котором сообщил, что открыл «невидимый микроб», поражающий дизентерийную палочку. Он же впервые применил термин «бактериофаг», то есть «поедатель бактерий». Этим термином мы пользуемся и по сей день. Хотя впервые бактериофаги были обнаружены западными учеными, активно развиваться фаготерапия стала в СССР. В числе первопроходцев этого направления медицины был Георгий Элиава. Открытый им в 1920-е годы в Тбилиси институт, который занялся исследованиями бактериофагов для терапевтического применения, стал даже мировым лидером в этой области. Кстати, Феликс Д"Эрель тоже несколько лет проработал в этом институте, но после того, как Элиава был расстрелян как «враг народа» в 1930-х, француз поспешил покинуть СССР. Но бактериофаги это тема для отдельной статьи. Вернемся к нашим баранам бактериям и вирусам.

Кстати, не только человека, но и даже комаров можно защитить от вирусов при помощи бактерий. Есть такая нехорошая болезнь лихорадка Денге. От лихорадки Денге ежегодно страдают более 50 миллионов человек. Вирус распространяется желтолихорадочными комарами, а лекарство от него до сих пор не найдено - медики лишь снимают симптомы болезни и проводят поддерживающую терапию. Ученые заразили яйца самок комаров бактерией Wolbachia pipientis , которая подавляет действие на комаров почти всех вирусов. Биологи предположили, что свойства бактерии распространяются и на вирус Денге: если комары сами не смогут заразиться им, у них не получится передать его людям. В результате подобных действий число случаев заражения вирусом в австралийском городе Таунсвилл упало в 12,5 раза. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Gates Open Research .

Получается интересная картина. Если мы имеем в организме определенные бактерии, то нам не страшны вирусы. Долгое время нашего развития так и было. Да, были вирусные инфекции. Но они были распространены в отдельных областях планеты, где местное население выработало к ним иммунитет. Или обладало таким набором бактерий, которые помогали справиться с вирусами. Не всем. Более слабые погибали, остальные получали иммунитет. То есть масштабных эпидемий было сравнительно немного. Только в случае резкого мутирования вируса, как это было с испанкой. А таких заболеваний как ВИЧ вообще не существовало. Они стали появляться тогда, когда люди стали уничтожать и менять свою микробиоту. Что и повлекло за собой всплеск вирусных заболеваний.

Поэтому сейчас стоит задача восстановить нормальную микробиоту. Другое дело, как узнать, какие бактерии помогают бороться с какими вирусами? Похоже, мы об этом никогда не узнаем. Так как под действием антибиотиков наши родные симбионтные бактерии либо исчезают, либо переходят в L-форму. Которая уже не дает нужных нам веществ. Надо сказать, что работы по бактериальной защите от вирусов ведутся во всем мире. Мы тоже по мере сил и возможностей в ней участвуем. На сегодняшний день доказано документально, что введение в организм человека симбионтных бактерий стрептококка приводит к резкому уменьшению вирусной нагрузки на организм. Вплоть до не определяемых показателей. Вот анализы человека до лечения.

А вот после лечения

Несмотря на то, что медики с каждым годом совершенствуют лекарства и методики лечения, микробам удается выжить. На каждый препарат они отвечают новыми штаммами и, как кажется, готовы жить вечно. При этом некоторые из них особенно преуспели в борьбе с медицинской наукой и представляют серьезную опасность для жизни людей.

В ходе эволюции человек приобрел только одну возможность адаптироваться к опасной окружающей среде – изменять ее, делая пригодной для комфортного проживания. Однако у нас на планете есть соседи, которые избрали другой, не менее эффективный способ – изменять себя, чтобы выжить в любых, даже самых сложных условиях. Речь идет о бактериях, простейших организмах, состоящих всего из одной клетки.

Трудно поверить, но даже среди невероятных достижений человеческих технологий бактерии нашли возможность не только выжить, но и стать сильнее, опередив наши самые передовые научные разработки.

С открытием в 1928 году пенициллина люди утвердились во мнении, что бактерии как причина различных заболеваний в скором времени окончательно исчезнут. Антибиотики получили широкое распространение и действительно творили чудеса, безжалостно уничтожая патогены, внедрившиеся в человеческий организм. Однако совсем скоро бактерии доказали, что они не случайно в течение миллионов лет выживали на планете Земля.

Рис. 1. Стафилококк уютно живет на продуктах питания.

В настоящее время фармацевты и врачи всего мира участвуют в гонке «щита и меча», пытаясь разработать препараты, убивающие патогенные микробы, а те, в свою очередь, отвечают все новыми штаммами, невосприимчивыми к антибиотикам. Сегодня существует несколько видов бактерий, которые в наибольшей степени преуспели в «борьбе за выживание» и по этой причине несут серьезную угрозу жизни и здоровью человека.

Эволюционные плюсы

Возьмем, к примеру, стафилококк: неподвижная грамположительная бактерия с клеткой диаметром 0,6–1,2 мкм. Колонии этих микроорганизмов живут повсеместно, а их любимое место в организме человека – носоглотка и кожные покровы. Стафилококки могут жить в суровых условиях: выдерживать нагрев до 60 o С в течение часа, жить на бинтах до полугода, а в воспалительных процессах почти до 4 лет.

Патогенные стафилококки вырабатывают специфичные токсины , разрушающие соединительную ткань организма и препятствующие заживлению ран.

Бактериальная клетка отличается от клеток человеческого организма прочной защитной мембраной – оболочкой на основе уникальных соединений – пептидогликанов . Тысячи лет стафилококк безнаказанно проживал в человеке, пока не появился пенициллин. Он нарушает формирование клеточной стенки бактерии, блокируя образование пептидных мостиков, с помощью которых пептидогликаны объединяются в оболочку бактерии.

К сожалению, человек не первым использовал антибиотики для борьбы с бактериями: природа уже изобрела эти вещества, и некоторые микроорганизмы пользуются ими, чтобы оградить себя от конкурентов. В связи с этим у стафилококка имеется особая защита, фермент транспептидаза , который способен связываться с пенициллином и блокировать его действие.

Широкое применение препаратов на основе пенициллина активизировало и усилило действие этого защитного механизма бактерий, и они стали практически неуязвимы для безопасных (для организма человека) доз антибиотиков. Точно неизвестно, как именно бактерии передали друг другу это полезное для них качество: скорее всего, с помощью подвижных участков генов (плазмид и транспозонов) . Естественно, что бактерии, обладающие столь ценным конкурентным преимуществом, быстро распространились по всему миру.

Рис. 2. Бактерии модифицируют ферменты бета-лактамазы, чтобы эффективно простивостоять антибиотикам различных типов.

Таким образом, можно заключить, что в результате стафилококк усовершенствовал свою оборону и на основе транспептидаза создал более мощные средства борьбы с антибиотиками – бета-лактамазы . Эти ферменты эффективно связываются с пенициллином и многими другими антибиотиками и существенно осложняют лечение инфекций.

Надо отметить, что на протяжении 20 лет цефалоспориновые антибиотики, нарушающие работу бета-лактамаз, являются основным «оружием» медиков. Однако в последние годы все большее распространение имеют штаммы бактерий, которые имеют плазмидные бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС), эффективно борющиеся с цефалоспоринами. Кроме того, в основном из-за лечения тяжелых случаев пневмонии и бактериемии появились штаммы с гиперпродукцией бета-лактамазы, что требует опасного для здоровья пациента повышения доз антибиотиков. Надо отметить, что распространенность бактерий с БЛРС зависит от географического региона. Согласно исследованию, которое 10 лет назад проводилось в рамках программы MYSTIC, наибольшее в Европе распространение микробы с БРЛС имеют в России и Польше. В некоторых лечебных учреждениях процент штаммов устойчивых к цефалоспоринам превышает 90%.

MRSA

К сожалению, перед бактериями пасует даже самая богатая и современная медицина. Появившийся в 1990-х годах метициллинрезистентный стафилококк (MRSA), устойчивый к бета-лактамным антибиотикам, до сих пор убивает в год почти 20 тыс. пациентов в американских и почти 40 тыс. европейских больницах. Из-за MRSA сотни тысяч людей переживают серьезные заболевания (поражение клапанов и тканей сердца, тяжелые некротические пневмонии) и страдают осложнениями, инфекция к тому же в 2 раза увеличивает среднее время пребывания в больнице.

Рис. 3. Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых.

Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых . Ситуация усугубляется тем, что MRSA особенно комфортно чувствует себя в больницах, где находится множество людей с ослабленным иммунитетом. Медучреждения вынуждены закрываться на периодическую дезинфекцию, но бактерия выживает и во внешнем мире, а затем снова возвращается, быстро заполняя своими колониями чистые палаты и даже операционные. Наблюдается увеличение количества случаев инфицирования штаммом MRSA свиней, крупного рогатого скота и птицы, что требует от животноводов особого санитарного контроля.

Метициллинрезистентный стафилококк может бессимптомно жить в организме человека, переживая периодические курсы даже самых сильных антибиотиков. Заболевание может проявиться в случае ослабления иммунитета, а у людей с ВИЧ или прошедших курс химиотерапии и другие процедуры, подавляющие иммунитет, MRSA может вызвать серьезные осложнения, вплоть до сепсиса (заражения крови) с летальным исходом.

NDM-1

В мае 2011 года канадские врачи обнаружили у двух пожилых людей бактерию с NDM-1 – особой разновидностью гена бета-лактамазы , способной эффективно расщеплять разнообразные антибиотики. Бактерии с этим геном были впервые обнаружены в 2009 году в Индии и их часто называют «супербактериями», поскольку они справляются со всеми современными антибиотиками: цефалоспоринами , пенициллинами , карбапенемами . Кроме высокой устойчивости к лекарственным препаратам, NDM-1 выделяется тем, что переносится грамотрицательными бактериями, для борьбы с которыми в арсенале врача и так немного средств.

В настоящее время случаи распространения гена NDM-1 зафиксированы в Великобритании, Германии, Австралии, США, Нидерландах, Бельгии. Уже есть и первые умершие от этой инфекции. С сожалением приходится констатировать, что карантинные меры не помогли и опасный ген распространяется по всему миру. Существует большой риск, что NDM-1 создаст множество суперштаммов опаснейших бактерий, которых будет практически невозможно уничтожить даже самыми сильными антибиотиками. Так, бактерия MRSA с геном NDM-1 станет практически неуязвимой даже для комбинации различных антибиотиков.

Гонка вооружений

Устойчивость к антибиотикам не единственный «сюрприз», который преподносят бактерии. Обычная грамотрицательная палочковидная бактерия Escherichia coli, кишечная палочка, живущая в кишечнике любого человека, вдруг стала в Германии причиной смерти почти 40 человек, а тысячи людей попали в больницу с серьезным расстройством здоровья. Бактерия, вызывающая легкое отравление, вдруг стала причиной тяжелейшего энтерогеморрагического синдрома, приводящего к отказу почек. При этом бактерия сопротивляется воздействию антибиотиков, а источник появления инфекции определить очень сложно.

Рис. 4. Бактерия EHEC стала причиной эпидемии в Германии и смерти десятков людей

Энтерогеморрагическая E. coli (EHEC) производит веротоксины , которые поражают эндотелиальные клетки (выстилающие кровеносные сосуды) . По оценкам врачей, у 10% инфицированных EHEC могут возникать тяжелые осложнения, которые в 3–5% случаев приводят к смерти.

Таким образом, эволюция бактерий и передача полезных для них и опасных для человека генов представляет серьезную угрозу появления суперштаммов, не поддающихся лечению. Казалось бы, навсегда решенная проблема патогенных микроорганизмов вновь встает со всей остротой и превращается в одну из самых серьезных угроз, наряду с вирусными эпидемиями.

В поисках выхода

Как же навсегда избавится от бактериальных инфекций? Прививки и бактериофаги в этом плане малоэффективны – слишком много штаммов, слишком мало времени на их изучение. Однако, несмотря на приспособляемость патогенных бактерий, против них есть эффективное оружие – дезинфекция. Подавляющее большинство бактерий не выдерживают термической обработки и начинают гибнуть уже при 70 0С. Нужно стараться при возможности кипятить воду и избегать употребления в пищу сырых продуктов. Для предотвращения эпидемий сегодня используется широчайший спектр высокотехнологичных средств: от ультрафиолетовых ламп и химических веществ, до плазменных струй. Важную роль в борьбе с микробами играет широкое распространение материалов на основе серебра, в том числе и наночастиц этого металла. От него у бактерий защиты нет, однако надо помнить, что серебро может значительно снижать естественный иммунитет человека, открывая дверь другим инфекциям – вирусным.

В любом случае создать идеально стерильную окружающую среду не получится, а значит нужно искать новые антибиотики или экзотические методики, вроде генетически запрограммированных вирусов, убивающих бактерии.

Рис. 5. Наночастицы серебра эффективно убивают бактерий, но и сами не очень полезны для иммунитета человека.

Существенную помощь в борьбе с суперштаммами могли бы оказать и простые граждане – перестав бессистемно и бесконтрольно употреблять самые сильные препараты по поводу и без. Надо помнить, что самостоятельно назначая себе сильнейший антибиотик при обычном насморке, вы, возможно, создаете очередной смертоносный штамм, который станет причиной массовой эпидемии.

Foto: Shutterstock

Вот список из семи продуктов, которые следует чаще включать в питание, чтобы профилактика вирусных и бактериальных инфекций была наиболее эффективной.

1. Молоко и молочные продукты

Органическое молоко и ферментированные молочные продукты содержат полезные бактерии. Они нередко критикуются в последние десятилетия, так как лактоза и казеин являются аллергенами для части человечества. Но при этом молоко является выдающимся источником нутриентов, пищеварительных ферментов, полезных жиров и протеинов, важных для поддержания иммунитета. Натуральный йогурт и другие кисломолочные продукты питают и "ремонтируют" весь желудочно-кишечный тракт (ЖКТ).

2. Квашеная капуста и другие ферментированные продукты

С наступлением осени многие хозяйки принимаются квасить капусту. Как раз поспевают поздние сорта, которые особенно хороши для домашних заготовок. Квашеная капуста вкусна и чрезвычайно полезна, как и многие другие ферментированные продукты, например:

• кимчи;
• мисо;
• натто;
• "бочковые", т. е. квашенные огурцы, помидоры, яблоки, арбузы, маслины и пр.

Всем, кто заботится о повышении иммунитета, следует добавить в рацион ферментированные продукты, которые богаты бактериями и питают микробиом человека. "Хорошие" бактерии, содержащиеся в них, оказывают чрезвычайно благотворное влияние на иммунную систему кишечника, находясь в "первой линии" защиты от патогенных микроорганизмов, а также помогают в выработке антител.

3. Печень и другие субпродукты

Печень, почки, сердце и другие субпродукты, хотя и кажутся некоторым людям "страшными", выгодно отличаются очень высоким содержанием нутриентов, которые обеспечивают иммунитет весомой поддержкой:

• токоферолом;
• цинком;
• конъюгированной линолевой кислотой (CLA);
• омега-3 полиненасыщенными жирными кислотами;
• бета-каротином и пр.

Если не нравится вкус субпродуктов, советуем попробовать приготовить их по новым рецептам. Например, можно оставить печень "понежиться" в молоке или лимонном соке на ночь, чтобы удалить особый аромат, затем окунуть кусочки во взбитые яйца, обвалять в кокосовой стружке или миндальной муке, а затем потушить на медленном огне в оливковом масле или масле авокадо с красным луком (еще один прекрасный продукт для профилактики простуд!), грибами и болгарским перцем.

4. Кокосовое масло

Оно богато лауриновой кислотой, которая превращается в человеческом организме в монолаурин. Это соединение, содержащееся в грудном молоке женщин, способствует совершенствованию иммунитета новорожденных. Лауриновая кислота также может повысить иммунитет взрослого, она разрушает липидные мембраны патогенных организмов.

Лучше покупать нерафинированные сорта кокосового масла, произведенные без тепловой обработки или химических веществ.

5. Грибы

Они оптимизируют защитные способности, так как богаты:

• протеинами;
• клетчаткой;
• кальцием;
• аскорбиновой кислотой;
• витаминами группы В;
• биологически активными соединениями, называемыми "бета-глюканами" (хорошо известны своими свойствами усиливать защитные возможности организма, активировать и модулировать клетки иммунной системы человека), они вступают во взаимодействие с макрофагами, помогают белым кровяным тельцам связываться с вирусами и уничтожать их.

6. Съедобные водоросли

Все морские и пресноводные съедобные водоросли обладают замечательными целебными свойствами. Возьмите, например, хлореллу. Эти одноклеточные пресноводные водоросли являются идеальным продуктом питания. Вещества, входящие в состав хлореллы, "связывают" ртуть и другие тяжелые металлы, инфекционные агенты, чтобы было легче удалить их из организма. Хлорофилл в составе этих и других водорослей помогает оксигенации крови, а также способствует регенерации тканей.

7. Чеснок

Он невероятно полезен для здоровья человека, поскольку защищает от патогенной микрофлоры. Для укрепления иммунитета советуем употреблять чеснок ежедневно. Вирусы, бактерии, дрожжевые грибки, которые учатся приспосабливаться к синтетическим антибиотикам, не умеют сопротивляться действию этого мощного лекарственного средства, созданного природой.

Для обеспечения оптимальной работы иммунной системы чеснок следует употреблять в свежем виде. Его активный ингредиент, аллицин, высвобождается при измельчении и разрушается в течение одного часа. Поэтому экстракт чеснока в составе БАДов бесполезен, в отличие, скажем, от салата из свежих овощей и листовой зелени, приправленного оливковым маслом с лимонным соком, с измельченным зубчиком чеснока и морской солью.

Кроме того, аллицин в чесноке:

• обладает антиканцерогенными свойствами;
• снижает общий уровень холестерина и уровень липопротеинов низкой плотности ("плохой" холестерин) в крови;
• понижает показатели артериального давления;
• уменьшает вероятность тромбообразования;
• служит профилактике инсульта;
• предотвращает укусы насекомых и т.д.