Вокруг нас существует множество вирусов, бактерий, которые способны попадать в наш организм, расти там, размножаться за счет наших клеток. Для человеческого организма их жизнедеятельность часто является губительной и приводит к различным заболеваниям. Если бы человечество не имело естественных средств защиты против бактерий, то, возможно, мы бы уже не существовали. Как уберечь свой организм от бактерий?

Работу иммунитета для нашего организма невозможно переоценить. Способность бороться с возбудителями инфекций формировалась в процессе эволюции, и сейчас человек находится в контакте с бактериями, обитающими не только вне, но и внутри него.

Главной особенностью иммунитета является его память. Клетки системы запоминают информацию о чужеродных организмах и при их появлении вновь применяют полученные навыки борьбы.

Средства гигиены против микробов

На нашей коже живет множество бактерий, и если ее регулярно не мыть, то есть большая вероятность того, что они попадут внутрь организма и станут причиной многих заболеваний.

Наиболее эффективным средством против бактерий, имеющим положительные отзывы, является антибактериальное мыло. Оно содержит в себе триклозан, который убивает бактерии и контролирует их рост, чего не содержит обычное мыло. Эффективность антибактериального мыла зависит от процента содержания триклозана и длительности контакта с кожей. Обычное мыло также убивает бактерии, только после его использования они быстро активизируются. Антибактериальное мыло содержит триклозан в количестве от 0,1 до 0,34%, на это стоит обращать внимание при покупке.

Это мыло убивает такие бактерии:

• стафилококк;
• кишечная палочка;
• сальмонелла.

Антибактериальное мыло способствует контролю над бактериями. Учитывая отзывы и рекомендации специалистов, мыло с антибактериальным эффектом стоит использовать не постоянно и чередовать его с обычным мылом. Отзывы потребителей разделились в применении этого мыла для борьбы с бактериями на за и против. То есть, кроме положительных, также встречаются и отрицательные отзывы, поскольку у некоторых людей, особенно с нежной кожей, такое мыло может вызывать сухость кожных покровов.

Лекарственные препараты против микроорганизмов

Такие лекарственные препараты, как антибиотики, убивают либо тормозят развитие бактерий или опухолей и являются незаменимыми в борьбе со многими аэробными или анаэробными микроорганизмами.

В зависимости от принципа воздействия на бактерии антибиотики делят на такие группы:

• Антибиотики, уничтожающие клеточную стенку. Многие из бактерий имеют клеточную стенку, разрушение которой приводит к их гибели. Этим свойством обладает пенициллин и препараты его группы.
• Антибиотики, противодействующие синтезу белка. Эти антибиотики попадают внутрь клетки и блокируют процессы жизнедеятельности. Микроорганизм теряет способность к росту и размножению и погибает.
• Препараты, проникающие внутрь клетки и растворяющие жиры, которые входят в состав мембраны.

Методы борьбы против хеликобактер

До недавнего времени причины таких заболеваний, как язва и гастрит, не до конца были изучены. Относительно недавно было обнаружено, что анаэробный микроорганизм хеликобактер пилори виновен в возникновении этих заболеваний. Особенность анаэробной бактерии хеликобактер в том, что она способна существовать в условиях высокой кислотности. Размножаясь, хеликобактер выделяет вредные токсины, разрушающие стенки желудка, что приводит к хроническим заболеваниям и даже к раку желудка. Какие методы и средства действенны в борьбе с хеликобактер?

При наличии соответствующих показателей бактерии хеликобактер эффективность лечения зависит от таких требований:

• правильно подобранное мощное лекарство для действенной атаки на хеликобактер;
• устойчивость препарата к кислотности желудка;
• быстрое проникновение лекарства в слизистую с целью устранения хеликобактер;
• локальное вмешательство лекарства;
• невмешательство препарата в работу других органов и быстрый вывод его из организма.

Учитывая отзывы врачей, только комплексный подход к лечению приводит к положительным результатам в борьбе с хеликобактер.

Бактерии в кишечнике

Основные причины попадания микробов в организм – несоблюдение мер гигиены и санитарных норм обработки продуктов. Так, анаэробные бактерии, попадая в кишечник вместе с пищей, отравляют его токсинами, которые вызывают вздутие и колики. Способны вызвать инфекцию в кишечнике и анаэробные микроорганизмы, живущие в нем. Это происходит при нарушении микрофлоры кишечника. При сильном иммунитете организм может сам справиться с буйством кишечных микроорганизмов, человек почувствует лишь легкое недомогание либо диарею. При серьезных инфекциях в кишечнике, таких как ботулизм, дизентерия, без госпитализации, вмешательства специалистов и правильно подобранных лекарств не обойтись.

Инфекции в кишечнике, вызванные анаэробными микроорганизмами, чаще протекают в таких формах:

• гастроэнтерит;
• колит;
• энтерит;
• энтероколит.

Очень важно распознать инфекцию в кишечнике и отличить ее от пищевого отравления. Только врач может поставить правильный диагноз, назначить лечение и подобрать необходимые лекарства.

Лекарства на основе плесени против микробов

Многие сталкивались с негативным воздействием плесени:

• испорченные продукты;
• разрушение ткани и древесины;
• заражение растений и семян.
• плесень в помещениях.

Но не все знают, что из плесени делают лекарства для борьбы против микроорганизмов. Выработка плесневыми грибами метаболитов применяется в изготовлении многих антибиотиков. Самый первый и известный всем лекарственный препарат «Пенициллин» был получен на основе плесени. Антибиотики группы цефалоспорина были выделены в 1948 году из плесени Cephalosporium acremonium и применены против тифа. Выделенный из плесени циклоспорин является мощным иммунодепрессивным препаратом. Его применяют при трансплантации, пересадке органов и других операций.

Многие препараты, выделенные из плесени, являются токсичными и принимаются строго по указанию врача.

Растения-антибиотики против микроорганизмов

Последние отзывы о препаратах говорят о том, что их применение против микробов приводит к тому, что у них возникает устойчивость и невосприимчивость к ним. Лечебные растения на протяжении многих лет способны не только повышать иммунитет, но и работать как антибиотики.

Вот примеры действия на микробов лишь нескольких растений-антибиотиков:

• масло эвкалипта (простудные инфекции);
• алоэ (герпес, гнойные инфекции, синусит);
• чеснок (туберкулез, дизентерия, молочница, стрептококк);
• эхинацея (простудные инфекции);
• солодка (малярия, холера, молочница, кишечная палочка).

В чем причина таких устойчивых антибактериальных свойств у растений? Растения имеют сложный химический состав, поэтому микробам тяжело адаптироваться под разрушающие действия растений. Если синтетические препараты имеют узкую направленность, то химические соединения у растений работают слаженно, сообща и во всех направлениях.

Чтобы уберечься от вредного воздействия бактерий, необходимо соблюдать правила гигиены, знать симптоматику их появления в организме и своевременно обращаться к врачу, который правильно подберет лекарственные препараты.

Экология здоровья: Его успешно используют в качестве местного лечения стригущего лишая, кератоза, воспалений кожи, ссадин, грибковых инфекций

Касторовое масло – одно из наиболее известных природных средств, которое уже достаточно долго используют в лечебных целях , и только уже один этот факт является основанием для его исследования; тем не менее, немного осторожности при использовании этого средства в домашних условиях не повредит

Касторовое масло начали использовать несколько веков назад

Касторовое масло изготавливают путем прессования семян клещевины (Ricinus communis), родиной которой является Индия; но сейчас клещевину выращивают в средиземноморских странах, таких как Алжир, Египет и Греция. Во Франции касторовое дерево культивируют для декоративных целей, так как оно обладает пышной и красивой листвой.

Многие древние цивилизации, в том числе древние египтяне, китайцы и персы, ценили клещевину за то, что ее можно применять для многочисленных целей, например, в качестве топлива для ламп или компонента, входящего в состав бальзамов и мазей.

В Средние века касторовое дерево, которое использовали для лечения кожных заболеваний, стало популярным в Европе. Греческий врач Диоскорид даже описал процесс получения масла из этого растения, но предупредил, что семена подходят только для внешнего применения, поскольку они являются "чрезвычайно слабительными".

Касторовое масло представляет собой смесь триглицеридов, состоящих из жирных кислот, из которых 90 процентов приходится на рицинолеиновую кислоту. Другие семена и масла, такие как масло сои и хлопковое масло, также содержат эту уникальную жирную кислоту, хотя и в значительно более низких концентрациях.

Утверждают, что рицинолеиновая кислота - это основной оздоравливающий компонент касторового масла, а по словам медицинского исследователя, мануального терапевта и биохимика Дэвида Уильямса это:

"Эффективное средство для профилактики роста многочисленных видов вирусов, бактерий, дрожжей и плесневых грибов. Его успешно используют в качестве местного лечения стригущего лишая, кератоза, воспалений кожи, ссадин, грибковых инфекций [ногтей пальцев рук] и ногтей пальцев ног, угревой сыпи и хронического прурита (зуда)".

В своей статье Уильямс также пишет, что в Индии семена касторового дерева традиционно используют для лечения различных заболеваний, таких как дизентерия, астма, запор, воспалительные заболевания кишечника и мочевого пузыря, вагинальные инфекции.

14 способов использования касторового масла в домашних условиях

Хорошо, если у вас дома уже есть бутылочка касторового масла; если нет, вам нужно прямо сейчас приобрести это средство, но оно должно быть от надежного производителя. Безусловно, вы будете очень удивлены, когда узнаете, для чего можно использовать это разностороннее масло.

1. Безопасное и природное слабительное.

В исследовании, которое было проведено в 2010 году, было описано, как компрессы с касторовым маслом помогают избавиться от запоров среди пожилых людей. Управление США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) считает это масло "как правило, безопасным и эффективным" для использования в качестве стимулирующего слабительного.

Оральное применение касторового масла может "очистить" желудочно-кишечный тракт в течение двух-пяти часов. Тем не менее, для этой цели необходимо помнить о правильной дозировке. Для взрослых - это 1-2 столовые ложки, а для детей от 2 до 12 лет - только 1-2 чайные ложки.

2. Облегчение мышечных болей.

После интенсивной тренировки растирающими движениями нанесите масло на мышцы, это улучшит циркуляцию крови и облегчит боль. Для дополнительного лечебного и успокаивающего эффекта смешайте его с маслом мяты или маслом римской ромашки.

3. Облегчение боли в суставах.

Рицинолеиновая кислота, входящая в состав касторового масла, оказывает противоотечное действие на лимфатическую систему , которая отвечает за выведение из тканей организмов продуктов жизнедеятельности и их транспортировку через систему кровообращения для последующего удаления.

Если лимфатическая система не работает должным образом (например, у людей, страдающих артритом), это может стать причиной возникновения в суставах болезненных ощущений. Нанося касторовое масло массирующими движениями на суставы, вы можете облегчить ощущение скованности и придать своей лимфатической системе дополнительный импульс.

Проведенное в 2009 исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Phytotherapy Research (Исследование методов фитотерапии), поддерживает этот метод; также представлены данные, которые подтверждают, что касторовое масло помогает уменьшить боль у пациентов с остеоартритом коленных суставов.

4. Лечение грибковых заболеваний.

Утверждается, что касторовое масло также является эффективным противогрибковым средством при лечение общих инфекций, как, например, стригущий лишай, паховая эпидермофития (паховый дерматомикоз) и эпидермофития стопы.

Просто нагрейте масло, нанесите на пораженный участок перед сном и оставьте на ночь. Повторяйте это процедуру целую неделю или до полного исчезновения инфекции.

5. Улучшение роста волос.

Массаж кожи головы (и даже бровей) теплым касторовым маслом стимулирует фолликулы и способствует росту новых волос. Выполняйте эту процедуру каждую ночь. Улучшение будет заметно всего через две недели. Касторовое масло также можно наносить на зоны с алопецией.

6. Придание волосам более насыщенного оттенка.

Касторовое масло фиксирует влагу в волосах, придавая им более богатый внешний вид ; кроме того, волосы будут казаться более густыми. Для получения такого эффекта нужно подогреть столовую ложку масла и кончиками пальцев нанести его на каждую прядь; таким образом необходимо обработать все локоны, это поможет сделать волосы максимально густыми.

7. Природная тушь для ресниц.

Растопите на водяной бане столовую ложку пчелиного воска, добавьте 2 столовые ложки древесного угля или какао-порошка (в зависимости от цвета волос), затем добавьте касторовое масло и перемешивайте полученный состав до получения нужной консистенции.

В отличие от других традиционных косметических продуктов, эта самодельная тушь для ресниц не содержит токсичных химических ингредиентов. В качестве альтернативы вы можете наносить касторовое масло на ресницы каждую ночь, чтобы они выглядели более густыми и объемными.

8. Увлажнение кожи.

Входящие в состав касторового масла жирные кислоты питают и увлажняют сухую кожу. Благодаря своей вязкой структуре масло удерживается на коже и легко проникает в ее ткани.

Помните о том, что больше - не значит лучше: просто разотрите чайную ложку масла в своих ладонях и нанесите его на кожу.

9. Устраняет пятна и другие проблемы кожи.

Благодаря касторовому маслу вы сможете попрощаться с непривлекательными и смущающими вас кожными образованиями.

Благодаря своим антимикробным и противовоспалительным свойствам масло благоприятно воздействует на кожу, способствуя избавлению от папиллом, акне и бородавок . В ходе одного исследования, результаты которого были опубликованы в журнале международной токсикологии (Journal of International Toxicology), было обнаружено, что касторовое масло может оказать положительное воздействие при лечении профессионального дерматита.

10. Улучшение качества сна.

Говорят, что нанесение небольшого количества касторового масла на веки может помочь заснуть намного быстрее. Касторовое масло способствует более глубокому и более длительному сну.

11. Помощь для лечения коликов у новорожденных.

Колики иногда возникают в первые несколько месяцев жизни, из-за чего ребенок может плакать длительные периоды времени. Почему возникают колики – точно не известно, хотя основной причиной считают газообразование. Если вы хотите использовать касторовое масло, чтобы облегчить колики, просто аккуратно нанесите его на всю брюшную полость ребенка.

12. Безопасное лечение ран домашних питомцев.

Если вы обнаружили на коже своей собаки или кота небольшие порезы или раны, приложите немного касторового масла; благодаря своим антимикробным и противовоспалительным свойствам масло облегчит процесс выздоровления. Даже если ваш питомец начнет облизывать рану (как это делает большинство домашних животных), масло ему не навредит, но может стать причиной жидкого стула.

13. Использование в качестве консерванта для продуктов питания.

Чтобы не только предотвратить порчу высушенных зерновых продуктов, но также и защитить их от микробов и вредителей, на них можно нанести слой касторового масла. Тем не менее, следует отметить, что для хорошего здоровья необходимо хранить только минимальное количество зерновых продуктов.

14. Универсальное смазывающее средство.

Если в вашем доме есть предметы, которые необходимо смазать, например, скрипучие петли, ножницы или мясорубка, касторовое масло отлично справится с этой задачей. Благодаря своей вязкости касторовое масло не замерзает , поэтому является идеальным вариантом для использования при высоких или очень низких температурах.

При местном применении не нужно смешивать касторовое масло с базовым маслом; чтобы исключить вероятность аллергической реакции просто нанесите масло на небольшой участок кожи.

Вы можете не только втирать масло непосредственно в кожу или наносить его массажными движениями, вы можете сделать компресс с касторовым маслом, который, по моему мнению, оказывает мощное воздействие в рамках целостной терапии. Покойный целитель Эдгар Кейси был первым, кто пропагандировал использование в лечебных целях компрессов с касторовым маслом. Подобное применение затем было исследовано доктором Уильямом МакГреем в Фениксе, штат Аризона.

МакГрей, врач первичной медицинской помощи и последователь учения Кейси, говорит, что при правильном использовании компрессы с касторовым маслом могут оказать иммунной системе значительную помощь.

Касторовое масло можно использовать для родоусиления - но требуется предельная осторожность

Другое популярное традиционное использование касторового масла – это использовать его для родоусиления. Проведя исследованиях на мышах, было обнаружено, что рицинолеиновая кислота заставляет сокращаться кишечник и матку, что затем может привести к родоусилению . Исследование продемонстрировало, что среди 100 испытуемых беременных женщин у более половины группы, которые получили касторовое масло, в течение 24 часов началась сократительная деятельность матки. Тем не менее, из-за потенциально вредных побочных эффектов я не советую использовать масло таким образом.

Одно исследование, проведенное в 2001 году, показало, что все беременные женщины, которые принимали касторовое масло, испытывали тошноту после его приема. В другом исследовании также было продемонстрировано, что вызванные касторовым маслом сокращения могут привести к высвобождению мекония (первый стула младенца) прямо в утробе, что подвергает ребенка риску мекониевой аспирации, которая может привести к дыхательной недостаточности у новорожденных. По мнению авторов исследования:

"Большинство побочных эффектов, вызванных приемом касторового масла – это усталость, тошнота, рвота и понос. Кроме того, использование касторового масла повлияло на оценку состояния новорожденного по шкале Апгара в течение первой минуты... Очень важно, чтобы перед каким-либо приемом касторового масла женщины получали от акушерки или повитухи соответствующую дозировку".

Знали ли вы, что семена касторового дерева содержат смертельные компоненты?

Несмотря на потенциально целебные свойства, необходимо знать, что касторовое дерево также содержит сильнодействующий яд под названием рицин . Он был обнаружен в сырых плодах клещевины и "смеси", полученной после обработки касторового масла; при попадании в организм через нос и рот, а также через внутривенное переливание, рицин предотвращает синтез белка и уничтожает клетки.

Рицин настолько сильное вещество, что проглатывание или вдыхание всего лишь 1 миллиграмма может привести к фатальному исходу , то есть проглатывание четырех - восьми семян клещевины может привести к смерти. Противоядия не существует , поэтому рицин даже используют в составе химического оружия.

Тем не менее, так как рицин удаляется из семян в процессе производства касторового масла, вам не нужно беспокоиться о том, что вы можете им отравиться. Итоговый отчет журнала The International Journal of Toxicology в отношении касторового масла подтверждает отсутствие опасности отравления, так как рицин не "входит" в касторовое масло, поэтому его можно смело добавлять в косметическую продукцию.

Используйте касторовое масло, но помните о возможных побочных эффектах

Как и в случае применения любого растительного масла я рекомендую осторожное использование касторового масла из-за вероятных отрицательных побочных эффектов. У людей с чувствительной кожей могут возникнуть аллергические реакции при локальном нанесении масла, поэтому перед использованием я советую провести патч-тест; для этого обильно покройте маслом большие участки кожи.

Если вы собираетесь принимать масло внутрь, помните, что рицинолеиновая кислота раздражает слизистую оболочку кишечника, что облегчает состояние при запоре. Тем не менее, масло может также привести к желудочно-кишечным расстройствам и дискомфорту, а также вызвать головокружение и тошноту. Поэтому, если вы страдаете от каких-либо проблем с пищеварением (синдром раздраженного кишечника, язвы, судороги, дивертикулит, колит или геморрой), я советую воздержаться от использования этого масла . Те, кто недавно перенес операцию, также должны воздержаться от использования касторового масла.

Это Вам будет интересно:

И наконец, убедитесь, что вы покупаете органическое касторовое масло от авторитетного производителя. Большая часть коммерческого касторового масла, продаваемого в магазинах, получают из бобов клещевины, которые, возможно, опрыскивали большим количеством пестицидов или обрабатывали растворителями и другими химическими загрязнителями, которые отрицательно влияют на его полезные компоненты и даже могут загрязнить само масло. опубликовано

Кирилл Стасевич, биолог

То, что антибиотики неэффективны против вирусов, уже давно стало азбучной истиной. Однако, как показывают опросы, 46% наших соотечественников полагают, что вирусы можно убить антибиотиками. Причина заблуждения, вероятно, кроется в том, что антибиотики прописывают при инфекционных заболеваниях, а инфекции привычно ассоциируются с бактериями или вирусами. Хотя стоит заметить, что одними лишь бактериями и вирусами набор инфекционных агентов не ограничивается. Вообще, антибиотиков великое множество, классифицировать их можно по разным медицинским и биологическим критериям: химическому строению, эффективности, способности действовать на разные виды бактерий или только на какую-то узкую группу (например, антибиотики, нацеленные на возбудителя туберкулёза). Но главное объединяющее их свойство - способность подавлять рост микроорганизмов и вызывать их гибель. Чтобы понять, почему антибиотики не действуют на вирусы, надо разобраться, как они работают.

На клеточную стенку действуют бета-лактамные антибиотики, к которым относятся пенициллины, цефалоспорины и другие; полимиксины нарушают целостность мембраны бактериальной клетки.

Клеточная стенка бактерий состоит из гетерополимерных нитей, сшитых между собой короткими пептидными мостиками.

Действие пенициллина на кишечную палочку: из-за пенициллина растущая бактериальная клетка не может достраивать клеточную стенку, которая перестаёт покрывать клетку целиком, в результате чего клеточная мембрана начинает выпячиваться и рваться.

У многих вирусов кроме генома в виде ДНК или РНК и белкового капсида есть ещё дополнительная оболочка, или суперкапсид, которая состоит из фрагментов хозяйских клеточных мембран (фосфолипидов и белков) и удерживает на себе вирусные гликопротеины.

Какие слабые места антибиотики находят у бактерий?

Во-первых, клеточная стенка. Любой клетке нужна какая-то граница между ней и внешней средой - без этого и клетки-то никакой не будет. Обычно границей служит плазматическая мембрана - двойной слой липидов с белками, которые плавают в этой полужидкой поверхности. Но бактерии пошли дальше: они кроме клеточной мембраны создали так называемую клеточную стенку - довольно мощное сооружение и к тому же весьма сложное по химическому строению. Для формирования клеточной стенки бактерии используют ряд ферментов, и если этот процесс нарушить, бактерия с большой вероятностью погибнет. (Клеточная стенка есть также у грибов, водорослей и высших растений, но у них она создаётся на другой химической основе.)

Во-вторых, бактериям, как и всем живым существам, надо размножаться, а для этого нужно озаботиться второй копией

наследственной молекулы ДНК, которую можно было бы отдать клетке-потомку. Над этой второй копией работают специальные белки, отвечающие за репликацию, то есть за удвоение ДНК. Для синтеза ДНК нужен «стройматериал», то есть азотистые основания, из которых ДНК состоит и которые складываются в ней в «слова» генетического кода. Синтезом оснований-кирпичиков опять же занимаются специализированные белки.

Третья мишень антибиотиков - это трансляция, или биосинтез белка. Известно, что ДНК хорошо подходит для хранения наследственной информации, но вот считывать с неё информацию для синтеза белка не очень удобно. Поэтому между ДНК и белками существует посредник - матричная РНК. Сначала с ДНК снимается РНК-копия, - этот процесс называется транскрипцией, а потом на РНК происходит синтез белка. Выполняют его рибосомы, представляющие собой сложные и большие комплексы из белков и специальных молекул РНК, а также ряд белков, помогающих рибосомам справляться с их задачей.

Большинство антибиотиков в борьбе с бактериями «атакуют» одну из этих трёх главных мишеней - клеточную стенку, синтез ДНК и синтез белка в бактериях.

Например, клеточная стенка бактерий - мишень для хорошо известного антибиотика пенициллина: он блокирует ферменты, с помощью которых бактерия осуществляет строительство своей внешней оболочки. Если применить эритромицин, гентамицин или тетрациклин, то бактерии перестанут синтезировать белки. Эти антибиотики связываются с рибосомами так, что трансляция прекращается (хотя конкретные способы подействовать на рибосому и синтез белка у эритромицина, гентамицина и тетрациклина разные). Хинолоны подавляют работу бактериальных белков, которые нужны для распутывания нитей ДНК; без этого ДНК невозможно правильно копировать (или реплицировать), а ошибки копирования ведут к гибели бактерий. Сульфаниламидные препараты нарушают синтез веществ, необходимых для производства нуклеотидов, из которых состоит ДНК, так что бактерии опять-таки лишаются возможности воспроизводить свой геном.

Почему же антибиотики не действуют на вирусы?

Во-первых, вспомним, что вирус - это, грубо говоря, белковая капсула с нуклеиновой кислотой внутри. Она несёт в себе наследственную информацию в виде нескольких генов, которые защищены от внешней среды белками вирусной оболочки. Во-вторых, для размножения вирусы выбрали особенную стратегию. Каждый из них стремится создать как можно больше новых вирусных частиц, которые будут снабжены копиями генетической молекулы «родительской» частицы. Словосочетание «генетическая молекула» использовано не случайно, так как среди молекул-хранительниц генетического материала у вирусов можно найти не только ДНК, но и РНК, причём и та и другая могут быть у них как одно-, так и двухцепочечными. Но так или иначе вирусам, как и бактериям, как и вообще всем живым существам, для начала нужно свою генетическую молекулу размножить. Вот для этого вирус пробирается в клетку.

Что он там делает? Заставляет молекулярную машину клетки обслуживать его, вируса, генетический материал. То есть клеточные молекулы и надмолекулярные комплексы, все эти рибосомы, ферменты синтеза нуклеиновых кислот и т. д. начинают копировать вирусный геном и синтезировать вирусные белки. Не будем вдаваться в подробности, как именно разные вирусы проникают в клетку, что за процессы происходят с их ДНК или РНК и как идёт сборка вирусных частиц. Важно, что вирусы зависят от клеточных молекулярных машин и особенно - от белоксинтезирующего «конвейера». Бактерии, даже если проникают в клетку, свои белки и нуклеиновые кислоты синтезируют себе сами.

Что произойдёт, если к клеткам с вирусной инфекцией добавить, например, антибиотик, прерывающий процесс образования клеточной стенки? Никакой клеточной стенки у вирусов нет. И потому антибиотик, который действует на синтез клеточной стенки, ничего вирусу не сделает. Ну а если добавить антибиотик, который подавляет процесс биосинтеза белка? Всё равно не подействует, потому что антибиотик будет искать бактериальную рибосому, а в животной клетке (в том числе человеческой) такой нет, у неё рибосома другая. В том, что белки и белковые комплексы, которые выполняют одни и те же функции, у разных организмов различаются по структуре, ничего необычного нет. Живые организмы должны синтезировать белок, синтезировать РНК, реплицировать свою ДНК, избавляться от мутаций. Эти процессы идут у всех трёх доменов жизни: у архей, у бактерий и у эукариот (к которым относятся и животные, и растения, и грибы), - и задействованы в них схожие молекулы и надмолекулярные комплексы. Схожие - но не одинаковые. Например, рибосомы бактерий отличаются по структуре от рибосом эукариот из-за того, что рибосомная РНК немного по-разному выглядит у тех и других. Такая непохожесть и мешает антибактериальным антибиотикам влиять на молекулярные механизмы эукариот. Это можно сравнить с разными моделями автомобилей: любой из них довезёт вас до места, но конструкция двигателя может у них отличаться и запчасти к ним нужны разные. В случае с рибосомами таких различий достаточно, чтобы антибиотики смогли подействовать только на бактерию.

До какой степени может проявляться специализация антибиотиков? Вообще, антибиотики изначально - это вовсе не искусственные вещества, созданные химиками. Антибиотики - это химическое оружие, которое грибы и бактерии издавна используют друг против друга, чтобы избавляться от конкурентов, претендующих на те же ресурсы окружающей среды. Лишь потом к ним добавились соединения вроде вышеупомянутых сульфаниламидов и хинолонов. Знаменитый пенициллин получили когда-то из грибов рода пенициллиум, а бактерии стрептомицеты синтезируют целый спектр антибиотиков как против бактерий, так и против других грибов. Причём стрептомицеты до сих пор служат источником новых лекарств: не так давно исследователи из Северо-Восточного университета (США) сообщили о новой группе антибиотиков, которые были получены из бактерий Streptomyces hawaiensi, - эти новые средства действуют даже на те бактериальные клетки, которые находятся в состоянии покоя и потому не чувствуют действия обычных лекарств. Грибам и бактериям приходится воевать с каким-то определённым противником, кроме того, необходимо, чтобы их химическое оружие было безопасно для того, кто его использует. Потому-то среди антибиотиков одни обладают самой широкой антимикробной активностью, а другие срабатывают лишь против отдельных групп микроорганизмов, пусть и довольно обширных (как, например, полимиксины, действующие только на грамотрицательные бактерии).

Более того, существуют антибиотики, которые вредят именно эукариотическим клеткам, но совершенно безвредны для бактерий. Например, стрептомицеты синтезируют циклогексимид, который подавляет работу исключительно эукариотических рибосом, и они же производят антибиотики, подавляющие рост раковых клеток. Механизм действия этих противораковых средств может быть разным: они могут встраиваться в клеточную ДНК и мешать синтезировать РНК и новые молекулы ДНК, могут ингибировать работу ферментов, работающих с ДНК, и т. д., - но эффект от них один: раковая клетка перестаёт делиться и погибает.

Возникает вопрос: если вирусы пользуются клеточными молекулярными машинами, то нельзя ли избавиться от вирусов, подействовав на молекулярные процессы в заражённых ими клетках? Но тогда нужно быть уверенными в том, что лекарство попадёт именно в заражённую клетку и минует здоровую. А эта задача весьма нетривиальна: надо научить лекарство отличать заражённые клетки от незаражённых. Похожую проблему пытаются решить (и небезуспешно) в отношении опухолевых клеток: хитроумные технологии, в том числе и с приставкой нано-, разрабатываются для того, чтобы обеспечить адресную доставку лекарств именно в опухоль.

Что же до вирусов, то с ними лучше бороться, используя специфические особенности их биологии. Вирусу можно помешать собраться в частицу, или, например, помешать выйти наружу и тем самым предотвратить заражение соседних клеток (таков механизм работы противовирусного средства занамивира), или, наоборот, помешать ему высвободить свой генетический материал в клеточную цитоплазму (так работает римантадин), или вообще запретить ему взаимодействовать с клеткой.

Вирусы не во всём полагаются на клеточные ферменты. Для синтеза ДНК или РНК они используют собственные белки-полимеразы, которые отличаются от клеточных белков и которые зашифрованы в вирусном геноме. Кроме того, такие вирусные белки могут входить в состав готовой вирусной частицы. И антивирусное вещество может действовать как раз на такие сугубо вирусные белки: например, ацикловир подавляет работу ДНК-полимеразы вируса герпеса. Этот фермент строит молекулу ДНК из молекул-мономеров нуклеотидов, и без него вирус не может умножить свою ДНК. Ацикловир так модифицирует молекулы-мономеры, что они выводят из строя ДНК-полимеразу. Многие РНК-вирусы, в том числе и вирус СПИДа, приходят в клетку со своей РНК и первым делом синтезируют на данной РНК молекулу ДНК, для чего опять же нужен особый белок, называемый обратной транскриптазой. И ряд противовирусных препаратов помогают ослабить вирусную инфекцию, действуя именно на этот специфический белок. На клеточные же молекулы такие противовирусные лекарства не действуют. Ну и наконец, избавить организм от вируса можно, просто активировав иммунитет, который достаточно эффективно опознаёт вирусы и заражённые вирусами клетки.

Итак, антибактериальные антибиотики не помогут нам против вирусов просто потому, что вирусы организованы в принципе иначе, чем бактерии. Мы не можем подействовать ни на вирусную клеточную стенку, ни на рибосомы, потому что у вирусов ни того, ни другого нет. Мы можем лишь подавить работу некоторых вирусных белков и прервать специфические процессы в жизненном цикле вирусов, однако для этого нужны особые вещества, действующие иначе, нежели антибактериальные антибиотики.

Очевидно, различия между бактериальными и эукариотическими молекулами и молекулярными комплексами, участвующими в одних и тех же процессах, для ряда антибиотиков не так уж велики и они могут действовать как на те, так и на другие. Однако это вовсе не значит, что такие вещества могут быть эффективны против вирусов. Тут важно понять, что в случае с вирусами складываются воедино сразу несколько особенностей их биологии и антибиотик против такой суммы обстоятельств оказывается бессилен.

И второе уточнение, вытекающее из первого: может ли такая «неразборчивость» или, лучше сказать, широкая специализация антибиотиков лежать в основе побочных эффектов от них? На самом деле такие эффекты возникают не столько оттого, что антибиотики действуют на человека так же, как на бактерии, сколько оттого, что у антибиотиков обнаруживаются новые, неожиданные свойства, с их основной работой никак не связанные. Например, пенициллин и некоторые другие бета-лактамные антибиотики плохо действует на нейроны - а всё потому, что они похожи на молекулу ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты), одного из основных нейромедиаторов. Нейромедиа-торы нужны для связи между нейронами, и добавка антибиотиков может привести к нежелательным эффектам, как если бы в нервной системе образовался избыток этих самых нейромедиаторов. В частности, некоторые из антибиотиков, как считается, могут провоцировать эпилептические припадки. Вообще, очень многие антибиотики взаимодействуют с нервными клетками, и часто такое взаимодействие приводит к негативному эффекту. И одними лишь нервными клетками дело не ограничивается: антибиотик неомицин, например, если попадает в кровь, сильно вредит почкам (к счастью, он почти не всасывается из желудочно-кишечного тракта, так что при приёме перорально, то есть через рот, не наносит никакого ущерба, кроме как кишечным бактериям).

Впрочем, главный побочный эффект от антибиотиков связан как раз с тем, что они вредят мирной желудочно-кишечной микрофлоре. Антибиотики обычно не различают, кто перед ними, мирный симбионт или патогенная бактерия, и убивают всех, кто попадётся на пути. А ведь роль кишечных бактерий трудно переоценить: без них мы бы с трудом переваривали пищу, они поддерживают здоровый обмен веществ, помогают в настройке иммунитета и делают много чего ещё, - функции кишечной микрофлоры исследователи изучают до сих пор. Можно себе представить, как чувствует себя организм, лишённый компаньонов-сожителей из-за лекарственной атаки. Поэтому часто, прописывая сильный антибиотик или интенсивный антибиотический курс, врачи заодно рекомендуют принимать препараты, которые поддерживают нормальную микрофлору в пищеварительном тракте пациента.

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.

Бактерии в борьбе против человека берут верх, антибиотики не справляются. Ученым удалось разобраться в природном механизме уничтожения бактерий. Это поможет созданию новых классов препаратов против инфекций.

Текст: Галина Костина

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) буквально вопиет о . Глава ВОЗ Маргарет Чен на одной из недавних европейских конференций говорила, что медицина возвращается в доантибиотиковую эру. Новые лекарства практически не разрабатываются. Ресурсы исчерпаны: «Постантибиотиковая эра в действительности означает конец современной медицины , которую мы знаем. Такие распространенные состояния, как стрептококковое воспаление горла или царапина на коленке ребенка, смогут снова приводить к смерти». По данным ВОЗ, более 4 млн детей в возрасте до пяти лет ежегодно умирают от инфекционных заболеваний.

Главной проблемой становится . В Европе бьют тревогу: уровень резистентности, например, пневмонии достиг 60% — в полтора раза больше, чем четыре года назад. В последние годы пневмония и другие инфекции, вызываемые только патогенными бактериями, ежегодно уносят жизни примерно 25 тыс. европейцев.

Многие помнят нашумевшую в 2011 году историю, когда в Германии острой кишечной инфекцией заразились более 2000 человек, более 20 человек умерли, а у 600 вследствие болезни отказали почки. Причиной стала устойчивая к ряду групп антибиотиков кишечная палочка E. coli, принесенная, а затем, как выяснилось, на проростках пажитника.

По прогнозам ВОЗ, через 10-20 лет все микробы приобретут устойчивость к существующим антибиотикам. Но оружие против бактерий есть у природы. И ученые пытаются поставить его на службу медицине.

Бактериальные надсмотрщики

Бактерии долгое время считались самой многочисленной популяцией живых организмов на Земле. Однако не так давно выяснилось, что бактериофагов (бактериальных вирусов) еще больше. Немного, конечно, странная ситуация: почему же тогда фаги не изничтожили все бактерии? Как всегда, в природе все непросто. Природа устроила микромир таким образом, чтобы популяции фагов и бактерий пребывали в динамическом равновесии. Достигается это избирательностью фагов, теснотой их общения с соответствующими бактериями, способами защиты бактерий от фагов.

Считается, что фаги почти такие же древние, как и бактерии. Открыли их почти одновременно Фредерик Творт и Феликс Д’Эрель в начале XX века. Первый, правда, не рискнул обозначить их как новый класс вирусов. Зато второй методично описал вирусы дизентерийных бактерий и назвал их в 1917 году бактериофагами — пожирателями бактерий. Д’Эрель, смешивавший бактерии и вирусы, увидел, как культура бактерий буквально растворялась на глазах. И почти сразу же французский ученый стал делать попытки использования вирусов против дизентерии в детской клинике. Любопытно, что потом француз продолжил свои эксперименты в Тбилиси и открыл там институт, который занимался почти исключительно вопросами фаговой терапии.

Вслед за Д’Эрелем фагами увлеклись многие ученые и медики. Где-то их опыты были удачными и вдохновляющими, где-то провальными. Теперь это легко объяснить: бактериофаги очень избирательны, практически каждый вирус выступает против какой-то определенной бактерии, иногда даже конкретного ее штамма. Конечно, если потчевать больного не теми фагами, то лучше ему не станет.

А в 1929 году Александр Флеминг о — пенициллин, и с начала 1940-х началась эра антибиотиков. Как часто бывает, о бактериофагах практически забыли, и только в России и в Грузии продолжали потихоньку производить фаговые препараты.

Интерес к бактериофагам возродился в 1950-х, когда их стали использовать в качестве удобных модельных организмов. «Многие фундаментальные открытия в молекулярной биологии, связанные с генетическим кодом, репликацией и другими клеточными механизмами, были сделаны во многом благодаря бактериофагам», — рассказывает руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии (ИБХ) им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Константин Мирошников . Взрывное развитие микробиологии и генетики накопило огромные знания как о фагах, так и о бактериях.

Лаборатория Вадима Месянжинова ИБХ РАН, где 15 лет назад вместе работали Константин Мирошников, Михаил Шнейдер , Петр Лейман и Виктор Костюченко , занималась бактериофагами, в частности фагом Т4. «Так называемые хвостатые фаги делятся на три группы, — рассказывает Мирошников. — У одних маленький, почти символический хвостик, у других — длинный и гибкий, а у третьих — сложный, многокомпонентный сократимый хвост. Последняя группа фагов, к которой относится Т4, называется миовиридами».

На картинках Т4 напоминает фантастический летающий объект с головкой, в которой находится ДНК, с прочным хвостом и ножками — белками-сенсорами. Нащупав ножками-сенсорами подходящую бактерию, бактериофаг прикрепляется к ней, после чего наружная часть хвоста сокращается, проталкивая вперед внутренний поршень, протыкающий оболочку бактерии. За это хвост фага прозвали молекулярным шприцем. Через поршень фаг вводит в бактерию свою ДНК и ждет, когда в ней наплодится его потомство. После завершения репродуктивного цикла детки фага разрывают стенку бактерии и способны к заражению других бактерий.

на фото: Михаил Шнейдер (слева) и Константин Мирошников из ИБХ РАН («Эксперт»)

Ученые, по словам Константина Мирошникова, долго не хотели верить, что фаг использует такой примитивный метод — механическое протыкание бактерии, — ведь практически все биологические процессы построены на биохимических реакциях. Тем не менее оказалось, что так и есть. Правда, это всего лишь часть процесса. Как позже выяснилось, механически протыкается наружная оболочка бактерии — плазматическая мембрана. В составе молекулярного шприца есть фермент лизоцим, который проделывает небольшое отверстие во внутренней оболочке клетки. Наибольший интерес для ученых представлял белок «шприца» — его своеобразная игла, которая протыкает внешнюю оболочку. Оказалось, что он, в отличие от многих других белков, обладает замечательно стабильной структурой, что, видимо, необходимо для такого сильного механического воздействия.

Российские ученые вместе с коллегами из Университета Пурдью (США) построили молекулярную модель фага Т4. В дальнейшем, изучая подробности этого необычного молекулярного оружия бактериофага, ученые натолкнулись еще на одну загадку. Электронная микроскопия, выполненная Виктором Костюченко, показала, что на конце иглы есть еще один маленький белочек. И в лаборатории вновь задались вопросом: что же это за белок и зачем он нужен? Однако в то время понять это не удалось.

Один из учеников Вадима Месянжинова, Петр Лейман, работавший после ИБХ в Университете Пурдью, а затем в Швейцарском институте технологии в Лозанне (EPFL), позднее вернулся к этой теме, правда, с другой стороны — со стороны бактерий. Одним из фокусов работы новой лаборатории стали не бактериофаги, а бактерии, которые атакуют своих недружелюбных соседей при помощи машинки, очень похожей на молекулярный шприц фага. По-научному она называется системой секреции 6-го типа (СС6Т). И эта система оказалась еще более интересной.

Смерть на кончике иглы

«Система секреции шестого типа была открыта в 2006 году, — рассказывает Петр Лейман. — Однако в то время еще было не ясно, насколько она похожа на хвост бактериофага. Это открытие было сделано благодаря накопленным знаниям об отсеквенированных геномах сотен бактерий». В течение последующих трех лет исследований выяснилось, что конструктивно СС6Т — это почти то же, что и хвост бактериофага. Он также имеет внешний сокращаемый чехол, внутренний поршень и иглу с наконечником. И эта молекулярная машина пробивает дырку в оболочке бактерии.

По словам Константина Мирошникова, вполне возможно, что за миллионы лет сосуществования предприимчивая бактерия вполне могла перенять от бактериофага его оружие, для того чтобы использовать его в борьбе с другими бактериями. При этом бактерия избавилась от фаговой «головы» — чужая генетическая информация бактерии была не нужна. Зато его чудесный хвост она вставила в свой геном. Правда, бактерия его значительно модифицировала. СС6Т намного сложнее, чем молекулярный шприц бактериофага. Бактериофаг делает аккуратную дырочку, не намереваясь мгновенно убить бактерию, чтобы потом размножиться в ней. Бактерии же нужно быстро и гарантированно убить бактерию-конкурента, поэтому она сразу делает много больших дырок в теле врага.

Группа Петра Леймана в сотрудничестве с Михаилом Шнейдером из лаборатории ИБХ среди прочих задач искала в этой системе тот самый маленький белочек на конце шприца, который когда-то они увидели у бактериофага Т4. Они-то не сомневались, что он там есть и что у него должна быть важная функция в этом механизме. «Многие не верили, что на кончике иглы что-то есть и что это может быть важно, — рассказывает Петр Лейман. — А мы упорно искали. И все-таки мы его нашли!»

Ученые выяснили, что к этому маленькому белку-наконечнику могут присоединяться различные токсины, которые неминуемо убьют другую бактерию, после того как ее проткнет наконечник. В частности, выяснилось, что одним из таких токсинов может быть лизоцим, аналог того, что сидит и на молекулярном шприце фага. Но, сидя на фаге, он проделывает крохотную дырочку в клеточной стенке и не проникает внутрь бактерии, а в СС6Т он разрушает клеточную стенку бактерии, что ведет к ее гибели.

Впрочем, лизоцим не единственный токсин, который использует бактерии, их десятки и сотни. Причем, по словам Леймана, они могут проникать в чужую бактерию, как сидя на наконечнике, так и выпрыскиваясь изнутри шприца. Но и на этом хитрости не заканчиваются. Оказалось, что у бактерии есть несколько таких сменных наконечников, которые она выбирает в зависимости от того, на какого недруга собирается нападать и чем будет этого недруга потчевать. Ну и еще одна инновация бактерии: СС6Т — система не одноразовая, как молекулярный шприц бактериофага, а многоразовая. После того как она протыкает бактерию-врага и доставляет в нее токсины, та часть системы, что находится внутри нападающей клетки, распадается на элементы, из которых бактерия собирает новый «шприц» — систему СС6Т, заряженную токсинами. И снова готова к бою.

Это интересное фундаментальное открытие (посвященная ему статья опубликована недавно в Nature), однако, требует продолжения. «Пока для нас одна из самых загадочных вещей, — продолжает Лейман, — как система секреции отбирает для транспортировки сменные наконечники и токсины. У нас уже есть некоторые наработки, но мы еще в процессе». Петр Лейман не сомневается, что в ближайшие годы эти детали наконец будут прояснены. Над этим, по его словам, только в Швейцарии работают несколько лабораторий и еще десятки лабораторий во всем мире. Знание о том, как работает убийственный механизм СС6Т, может способствовать разработке нового класса лекарств, которые будут избирательно убивать болезнетворные бактерии. Медицина этого открытия очень ждет.

Время запускать фагов

Эра антибиотиков, начавшаяся в середине прошлого века и вызвавшая всеобщую эйфорию, похоже, заканчивается. И об этом предупреждал еще отец антибиотиков Флеминг. Он предполагал, что хитроумные бактерии будут все время изобретать механизмы выживания. Всякий раз, сталкиваясь с новым лекарством, бактерии словно проходят сквозь бутылочное горлышко. Выживают сильнейшие, приобретшие механизм защиты от антибиотика. Кроме того, безудержное и неконтролируемое использование антибиотиков, особенно в сельском хозяйстве, ускорило приближение конца их эры. Чем активнее применялись антибиотики, тем быстрее приспосабливались к ним бактерии. Особой проблемой стали внутрибольничные инфекции, возбудители которых чувствуют себя как дома в святая святых — стерильных отделениях клиник. Там, среди больных с ослабленным иммунитетом, даже так называемые условно-патогенные микробы, не представляющие для здорового человека никакой опасности, но приобретшие солидный спектр устойчивости к антибиотикам, становятся жестокими патогенами и добивают пациентов.

По словам Михаила Шнейдера, антибиотики, как правило, берутся из природы, как тот же пенициллин. Синтезированных антибиотиков очень мало: трудно поймать в бактериях уязвимые места, на которые можно было бы нацелиться. К тому же, сетуют медики, разработчики не очень охотно берутся за создание новых антибиотиков: мол, возни с разработками много, устойчивость к ним вырабатывается у бактерий слишком быстро, а цена на них не может быть такой высокой, как, к примеру, на антираковые препараты. По некоторым данным, к концу первого десятилетия XXI века лишь полтора десятка новых антибиотиков находились в разработках крупных компаний, да и то на очень ранних стадиях. Тут-то и стали вспоминать о природных врагах бактерий — бактериофагах, которые хороши еще и тем, что практически нетоксичны для человеческого организма.

В России терапевтические фаговые препараты делают давно. «Я держал в руках затрепанную методичку времен финской войны по применению фагов в военной медицине, фагами лечили еще до антибиотиков, — рассказывает Константин Мирошников. — В последние годы фаги широко использовали при наводнениях в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию. У нас такие препараты в промышленных масштабах много лет делает НПО "Микроген”. Но технологии их создания давно нуждаются в модернизации. И мы последние три года сотрудничаем с “Микрогеном” по этой теме».

Бактериофаги кажутся отличным оружием против бактерий. Во-первых, они высокоспецифичны: каждый фаг убивает не просто свою бактерию, но даже конкретный ее штамм. По словам Михаила Шнейдера, бактериофаги можно было бы использовать и в средствах диагностики для определения бактерий до штаммов, и в терапии: «Их можно использовать и сами по себе, и в комбинации с антибиотиками. Антибиотики хотя бы частично ослабляют бактерии. А фаги могут добить их».

Сейчас во многих лабораториях думают, как можно было бы использовать как бактериофаги, так и их компоненты против бактериальных инфекций. «В частности, американская компания Avidbiotics разрабатывает продукты на основе бактериоцинов, которые представляют собой модифицированный фаговый хвост — молекулярный шприц, направленный на уничтожение вредоносных бактерий, — рассказывает Михаил Шнейдер. — Они создали своеобразный молекулярный конструктор, у которого можно легко менять сенсорный белок, распознающий конкретную патогенную бактерию, благодаря чему можно получить много высокоспецифичных препаратов».

Сейчас в разработке компании — препараты, которые будут направлены против кишечной палочки, сальмонеллы, шигеллы и других бактерий. Кроме того, компания готовит препараты для продовольственной безопасности и заключила соглашение с компанией DuPont о создании класса антибактериальных агентов для защиты продуктов питания.

Перед Россией, казалось бы, широкая дорога для создания новых классов препаратов на основе фагов, но пока энергичных действий в этом плане не видно. «Мы не производственники, но примерно себе представляем, в какую канитель могут вылиться сертификация и внедрение современного препарата на основе фагов или бактериоцинов, — говорит Мирошников. — Ведь он должен будет пройти путь нового лекарства, а это занимает до десятка лет, потом еще нужно будет утверждать каждую деталь такого конструкторского препарата с заменяемыми частицами. Пока что мы можем давать лишь научные рекомендации, что можно было бы сделать». А в том, что делать надо, нет сомнений ни у кого из тех, кто осведомлен о катастрофе с антибиотиками.

На смену фагам вскоре могут прийти и новые технологии, которые будут использовать механизмы СС6Т. «Мы еще в процессе исследований и пока далеки от рационального использования системы секреции шестого типа, — говорит Петр Лейман. — Но я не сомневаюсь, что эти механизмы будут раскрыты. И тогда на их основе можно будет делать не только высокоспецифичные препараты против злостных бактерий, но и использовать их как средство доставки нужных организму белков, даже очень крупных, что сейчас является проблемой, а также доставки лекарств, например, в опухолевые клетки».