Синтетичні бактеріофаги: нова зброя проти антибіотикорезистентних інфекцій

Американські науковці створили систему для конструювання повністю синтетичних бактеріофагів — вірусів, що вибірково атакують і знищують бактерії, не вражаючи здорові клітини організму людини. На відміну від традиційного підходу, коли фаги виділяють із природних джерел (ґрунту, води, мікробіому), нова технологія дозволяє створювати їх «з нуля» на основі заданих послідовностей ДНК.

Синтетичні бактеріофаги: конструкція визначає безпеку та вартість

Досі не вирішена проблема традиційної фагової інженерії: ДНК бактеріофагів високотоксична для векторів – бактеріальних клітин, які зазвичай використовуються як «робочі конячки» для синтезу потрібних послідовностей ДНК. Тому класичні методи збірки синтетичних геномів не працюють саме через це явище токсичності. Сьогодні можливо редагувати геном всередині клітин, проте ці методи трудомісткі, обмежені однією модифікацією за один раз і мають низку умов, які додатково зменшують їхню доступність.

Біотехнологи компанії New England Biolabs та Єльського університету запропонували алгоритм створення бактеріофагів, який вирішує описані проблеми в декілька кроків – їхній метод дозволяє вносити множинні, точні зміни одночасно через менш складну процедуру, тоді як традиційні методи обмежені однією модифікацією за один раз.

Фрагментація генома. Геном фага розбивається на крихітні фрагменти, які не будуть токсичними для бактерій-хазяїв.

Golden Gate Assembly — вдосконалена техніка швидкого зʼєднання фрагментів ДНК у контрольованому порядку. Метод дозволяє зібрати повний геном фагового вірусу за один крок.

Модифікація «частин»: геноми збираються з множини стандартизованих модулів. Модифікуючи або замінюючи ці частини, геномні збірки можна змінювати практично в будь-якому місці — вставляти, видаляти або модифікувати гени.

«Перезавантаження» фага. Зібрану ДНК вводять у векторні бактерії, які зчитують геном і самостійно генерують фаги – цей процес називають «вивільнення» або «перезавантаження» фага.

В результаті отриманий синтетичний бактеріофаг функціонально не відрізняється від природного ізоляту, але він модифікований відповідно до потреб дослідника або клінічного застосування.

Синтетичний підхід зменшить потребу в довготривалому зберіганні та транспортуванні фагів на етапі досліджень (і в перспективі — клінічного використання), оскільки науковцям достатньо мати доступ до цифрових даних послідовностей як вихідної точки. Це може усунути логістичне навантаження, повʼязане зі скринінгом природних ізолятів або утриманням великих біобанків. Втім, нова технологія не усуває потреби в належному зберіганні самих фагів після їх синтезу.

Платформа Golden Gate Assembly

Ключова для фагового дизайну технологія Golden Gate Assembly була розроблена та вдосконалена групою науковців з New England Biolabs, які працювали над нею майже десять років. Спочатку метод використовувався для швидкого зʼєднання фрагментів ДНК у контрольованому порядку. Як демонстрацію можливостей технології дослідники зібрали повний геном бактеріофага T7 — модельного фага, що таргетує Escherichia coli.

Несподівано для самих розробників виявилося, що вони фактично вирішили давню проблему інженерії фагів. З ними скооперувалися колеги з лабораторії Пола Тернера в Єльському університеті, щоб розробити інженерні системи для немодельних фагів із заданими клінічним застосуванням. Невдовзі команда створила систему дизайну синтетичних фагів, призначених для лікування інфекцій, спричинених Pseudomonas aeruginosa — одним з найпроблемніших збудників госпітальних інфекцій з високим рівнем антибіотикорезистентності.

Синтетичні бактеріофаги: потенційні показання

Pseudomonas aeruginosa — умовно-патогенна бактерія, що спричиняє тяжкі нозокоміальні інфекції (пневмонії, інфекції сечовивідних шляхів, ранові інфекції) й характеризується високим рівнем резистентності до антибіотиків. Саме проти цього збудника створено перші синтетичні фаги за новою технологією.

Очевидно, що найперспективніші напрямки розвитку нової технології — інші антибіотикорезистентні патогени. Є багато хвороботворних бактерій з множинною лікарською стійкістю, які можуть стати мішенями для фагової терапії. Зокрема, зараз синтетичні фаги пробують застосовувати для боротьби інфекцією Mycobacterium abscessus.

Другий напрямок – біосенсори: синтетичні фаги можуть використовуватися для швидкої ідентифікації специфічних бактерій у клінічних або промислових зразках.

Також на основі таких вірусів можна розробляти системи таргетної доставки: фаги потенційно можуть слугувати носіями для доставки низькомолекулярних лікарських сполук безпосередньо до бактерій-мішеней.

Безпека та ефективність: поточний статус розробки синтетичних бактеріофагів

Важливо зазначити, що синтетичні фаги, створені на базі Golden Gate Assembly за описаним покроковим алгоритмом, ще далекі від клінічного застосування. На даний момент система продемонструвала можливість конструювання функціональних фагів, але вони ще не випробовувалися у клінічних дослідженнях за участю людей.

Розробники визнають, що навіть коли синтетичні фагові ліки наблизяться до клінічної реальності, вони стикатимуться з регуляторними барʼєрами – медикобіологічна галузь лише починає розробляти спільні стандарти для оцінки ефективності, безпеки та впливу бактеріофагів на довкілля. Введення синтетично згенерованих фагів замість природних ізолятів додає ще один рівень складності. Перед тим як ці ліки зможуть увійти в «клініку», біотехнологи, клініцисти та регулятори повинні спільно розробити чіткий регуляторний шлях.