Синтетические бактериофаги: новая платформа для борьбы с антибиотикорезистентными инфекциями

Американские учёные создали систему для конструирования полностью синтетических бактериофагов — вирусов, которые избирательно атакуют и уничтожают бактерии, не поражая здоровые клетки человека. В отличие от традиционного подхода, когда фаги выделяют из природных источников (почвы, воды, микробиома), новая технология позволяет создавать их «с нуля» на основе заданных последовательностей ДНК.

Синтетические бактериофаги: конструкция определяет безопасность

До сих пор не решена проблема традиционной фаговой инженерии: ДНК бактериофагов высокотоксична для векторов — бактериальных клеток, которые обычно используются как «рабочие лошадки» для синтеза нужных последовательностей ДНК. Поэтому классические методы сборки синтетических геномов не работают именно из-за этого явления токсичности. Сегодня возможно редактировать геном внутри клеток, однако эти методы трудоёмкие, ограничены одной модификацией за раз и имеют ряд условий, которые дополнительно снижают их доступность.

Биотехнологи компании New England Biolabs и Йельского университета предложили алгоритм создания бактериофагов, который решает описанные проблемы в несколько шагов — их метод позволяет вносить множественные, точные изменения одновременно через менее сложную процедуру, тогда как традиционные методы ограничены одной модификацией за раз.

1.      Фрагментация генома. Геном фага разбивается на крошечные фрагменты, которые не будут токсичными для бактерий-хозяев.

2.      Golden Gate Assembly — усовершенствованная техника быстрого соединения фрагментов ДНК в контролируемом порядке. Метод позволяет собрать полный геном фагового вируса за один шаг.

3.      Модификация «частей»: геномы собираются из множества стандартизированных модулей. Модифицируя или заменяя эти части, геномные сборки можно менять практически в любом месте — вставлять, удалять или модифицировать гены.

4.      «Перезагрузка» фага. Собранную ДНК вводят в векторные бактерии, которые считывают геном и самостоятельно генерируют фаги — этот процесс называют «высвобождением» или «перезагрузкой» фага.

В результате полученный синтетический бактериофаг функционально не отличается от природного изолята, но он модифицирован в соответствии с потребностями исследователя или клинического применения.

Синтетический подход уменьшит потребность в долгосрочном хранении и транспортировке фагов на этапе исследований (и в перспективе — клинического использования), поскольку учёным достаточно иметь доступ к цифровым данным последовательностей как отправной точке. Это может устранить логистическую нагрузку, связанную со скринингом природных изолятов или содержанием больших биобанков. Впрочем, новая технология не устраняет необходимости в надлежащем хранении самих фагов после их синтеза.

Платформа Golden Gate Assembly

Ключевая для фагового дизайна технология Golden Gate Assembly была разработана и усовершенствована группой учёных из New England Biolabs, которые работали над ней почти десять лет. Изначально метод использовался для быстрого соединения фрагментов ДНК в контролируемом порядке. В качестве демонстрации возможностей технологии исследователи собрали полный геном бактериофага T7 — модельного фага, таргетирующего Escherichia coli.

Неожиданно для самих разработчиков выяснилось, что они фактически решили давнюю проблему инженерии фагов. С ними скооперировались коллеги из лаборатории Пола Тёрнера в Йельском университете, чтобы разработать инженерные системы для немодельных фагов с заданным клиническим применением. Вскоре команда создала систему дизайна синтетических фагов, предназначенных для лечения инфекций, вызванных Pseudomonas aeruginosa — одним из самых проблемных возбудителей госпитальных инфекций с высоким уровнем антибиотикорезистентности.

Синтетические бактериофаги: потенциальные показания

Pseudomonas aeruginosa — условно-патогенная бактерия, вызывающая тяжёлые нозокомиальные инфекции (пневмонии, инфекции мочевыводящих путей, раневые инфекции) и характеризующаяся высоким уровнем резистентности к антибиотикам. Именно против этого возбудителя созданы первые синтетические фаги по новой технологии.

Очевидно, что наиболее перспективные направления развития новой технологии — другие антибиотикорезистентные патогены. Существует много болезнетворных бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, которые могут стать мишенями для фаговой терапии. В частности, сейчас синтетические фаги пробуют применять для борьбы с инфекцией Mycobacterium abscessus.

Второе направление — биосенсоры: синтетические фаги могут использоваться для быстрой идентификации специфических бактерий в клинических или промышленных образцах.

Также на основе таких вирусов можно разрабатывать системы таргетной доставки: фаги потенциально могут служить носителями для доставки низкомолекулярных лекарственных соединений непосредственно к бактериям-мишеням.

Безопасность и эффективность: текущий статус разработки синтетических бактериофагов

Важно отметить, что синтетические фаги, созданные на базе Golden Gate Assembly по описанному пошаговому алгоритму, ещё далеки от клинического тестирования. На данный момент система продемонстрировала возможность конструирования функциональных фагов, но они ещё не испытывались в клинических исследованиях с участием людей.

Разработчики признают, что даже когда синтетические фаговые лекарства приблизятся к клинической реальности, они столкнутся с регуляторными барьерами — фармотрасль только начинает разрабатывать общие стандарты для оценки эффективности, безопасности и воздействия бактериофагов на окружающую среду.

Введение синтетически сгенерированных фагов вместо природных изолятов добавляет ещё один уровень сложности. Перед тем как эти лекарства смогут войти в «клинику», биотехнологи, клиницисты и регуляторы должны совместно разработать чёткий регуляторный путь.