Мутации из космоса могут решить проблему с антибиотиками

Фото из открытых источников

Если человечество когда-либо и решится на освоение космоса, то для этого должна быть веская причина. Оптимисты считают, что эта причина заключается просто в нашей любви к исследованиям. Но в истории чаще всего именно стремление к прибыли побуждало людей искать новые земли. Поэтому логично предположить, что для того, чтобы действительно начать колонизацию космоса, нам потребуется коммерческая причина. В новой статье из лаборатории Сриватсана Рамана в Университете Висконсина в Мэдисоне, недавно опубликованной в журнале PLOS Biology, описывается один из потенциальных вариантов такого бизнеса — генетическая модификация бактериофагов для борьбы с бактериями, устойчивыми к антибиотикам.

Использование суровых условий космоса в качестве полигона для генетических модификаций — не новая идея. Однако данная работа представляет собой один из первых случаев её практической реализации. Оригинальный эксперимент был запущен в сентябре 2020 года при поддержке компании Rhodium Scientific, биотехнологической компании, которая содействует исследованиям на Международной космической станции. Их специализированные криопробирки были разработаны для предотвращения протечек и поддержания температуры хранения -80℃ во время запуска.

Однако еще до отправки эксперимента на орбиту лаборатории предстояло проделать огромную работу. Они отобрали «библиотеку» из 1660 различных предварительно модифицированных вариантов фагов с целью выяснить, кто из них выиграет в соревновании «выживает сильнейший» в космосе. Это было гораздо проще, чем просто ждать случайных мутаций, вызванных самой космической средой, даже с учетом повышенного уровня радиации.

В качестве контроля они также поддерживали ту же комбинацию фагов и бактерий на Земле, чтобы сравнить результаты их эволюционного взаимодействия в более привычной земной среде и в условиях микрогравитации. Сначала было одно заметное различие — космическим бактериофагам требовалось гораздо больше времени, чтобы уничтожить свои бактериальные аналоги. Наземные бактериофаги справлялись с ними быстро, примерно за 2-4 часа, в то время как фаги в космосе не проявляли признаков повышения активности.

Вероятно, это было связано с микрогравитацией — в этой среде отсутствовала конвекция или движение раствора под действием каких-либо внешних сил, таких как перепады температуры или давления. Фагам приходилось полагаться на диффузию, которая является гораздо более медленным процессом, чтобы достичь своих целей. Но эти цели тоже не были «на месте».

В космосе бактерии E. coli, использованные в этом эксперименте, испытывают огромный стресс. Тот же недостаток конвекции, который замедлял движение фагов, приводил к накоплению отходов непосредственно вокруг бактериальных клеток. Кроме того, питательные вещества, которые обычно доставлялись бы им конвекцией, стали менее доступны. Чтобы адаптироваться к этому, бактерии претерпели собственные мутации.

В частности, они модифицировали ген mlaA, отвечающий за перемещение фосфолипидов во внутреннюю часть мембраны. В космосе этот ген был мутирован таким образом, чтобы фосфолипиды перемещались на поверхность. Поскольку именно на поверхности бактериофаги взаимодействуют с бактериями, это потребовало изменения и в их плане действий.

На Земле фаги, «победившие» в соревновании, продемонстрировали стандартные эволюционные изменения, такие как развитие положительно заряженных кончиков для захвата отрицательно заряженных бактерий. Но в космосе фаги-победители развили гидрофобные замены внутри белка, связывающего рецепторы, который они используют для прикрепления к бактериям. Согласно статье, это, вероятно, сделало хвостовое волокно либо более гибким, либо более стабильным и позволило фагам прикрепляться к «странным» мембранам бактерий, которые выворачивали свои фосфолипиды наружу.

Что еще более любопытно, когда мутировавшие фаги были доставлены на Землю, выяснилось, что они особенно хорошо уничтожают бактерии, вызывающие инфекции мочевыводящих путей — один из самых распространенных типов инфекций в мире, характеризующийся очень высокой устойчивостью к антибиотикам. Примечательно, что оставшиеся на Земле варианты не смогли победить «супербактерии» — устойчивые к антибиотикам бактерии, вызывающие инфекции мочевыводящих путей.

Хотя это может показаться нелогичным, исследователи полагают, что стресс, который бактерии испытывают в мочевыводящих путях человека, например, химические стрессы и дефицит питательных веществ, каким-то образом имитирует среду, в которой находились их космические собратья. Следовательно, они приобрели те же эволюционные преимущества и оказались уязвимы для того же плана атаки, который придумали космические фаги.

С точки зрения бизнеса это очень многообещающе — если нам каким-то образом удастся разработать способ использования биореактора в космосе для создания суперфагов, способных уничтожать устойчивые к антибиотикам бактерии на Земле, это станет многомиллиардной индустрией. Но пока еще рано делать выводы, и предстоит еще много работы, прежде чем подобная система действительно получит широкое распространение. А для масштабного внедрения потребуется объект гораздо большего размера, чем МКС.

Ещё предстоит выяснить, станет ли это одним из тех «прорывных приложений», которые действительно позволят коммерческой космической программе взлететь. Но, по крайней мере, это интересный нюанс того, как эволюционный танец двух давних врагов меняется в разных условиях. Будем надеяться, что когда-нибудь мы сможем использовать эти изменения на благо значительной части человечества.