Вирусы, антибиотики и генетика. Научные открытия и новая эра медицины

Сегодня уже сложно представить себе, что еще 80 лет назад такие патологии как пневмония, туберкулез и даже обыкновенная вирусная инфекция могли привести к смерти пациента по причине отсутствия действенных способов лечения. Эпидемии тифа в средние века уносили сотни человеческих жизней в короткий срок. Фактически, антибактериальная терапия была открыта и получила свое развитие только в 20 веке. В 21 столетии антибиотики применяются повсеместно, зачастую даже и в случаях, где можно было бы обойтись без них.

Принцип работы антибиотика заключается в способности уничтожить или деактивировать вирусную клетку, пагубно влияющую на организм. Сейчас уже существует множество антибактериальных средств нового поколения, воздействующих на вирусы разными способами.  Одни пробивают стенку бактерии, другие замедляют действие определенного бактериального фермента, третьи препятствуют синтезированию бактерией белка.

Но, минус антибиотика в том, что, уничтожая болезнетворные бактерии, он может уничтожить и полезные бактерии в организме человека. Например, те, что живут в желудочно-кишечном тракте и обеспечивают иммунитет и процесс переваривания пищи. Однако, в сравнении, например, со средствами химиотерапии онкологических заболеваний, антибиотики являются очень щадящим средством и их пагубное воздействие на организм незначительно. В современной медицине, антибактериальная терапия, как правило, назначается совместно с иными препаратами, направленными на восстановление полезной микрофлоры организма.

Мутирующие бактерии против антибиотиков.

Между вирусами и антибиотиками идет бесконечная борьба, так как первые постоянно мутируют. Наука вынуждена быстро реагировать на мутации, ведь разработанный вчера антибиотик сегодня может оказаться неэффективным против мутирующего вируса. И это серьезная угроза для человечества. Даже в официальном письме правительства Великобритании 2017 года упоминалось, что проблема мутации вирусов является очень серьезной. Существует риск того, что к 2050 году бактерии потенциально могут унести жизни миллионов людей ежегодно. А в начале 2018 года Всемирная Организация Здравоохранения впервые за долгое время опубликовала список бактерий, которые являются устойчивыми к известным медицине антибиотикам.

Как ни странно, вирусы, как и человек, обладают уникальным набором генов. Существует два вида вирусов: ДНК и РНК-вирусы.  Особенностью ДНК-вирусов является их стабильность и слабая подверженность мутациям. Дело в том, что для контроля репликации правильного набора ДНК, они используют клетку своего хозяина. РНК-вирусы более подвержены изменчивости, поэтому более опасны для человека. Более того, в процессе становления нового РНК-вируса нередко происходят генетические «поломки» в момент копирования РНК, которые ведут к возникновению непредсказуемых форум вируса. Наиболее известным вирусом РНК является вирусы гриппа и иммунодефицита человека (вызывающего СПИД).

Исследование гена ampR, обеспечивающего мутации бактерий

В 2018 году группа ученых из Оксфордского университета решила провести эксперимент и сделать попытку лишить бактерии способности развивать иммунитет к антибиотикам.

Сначала они проанализировали, что микроорганизмы развивают резистентность с различной скоростью, а затем решили найти конкретные гены, ответственные за эти процессы.

Было установлено, что главным геном, обеспечивающим возможность мутации вирусов, является ген ampR. Именно он регулирует работу многих других генов, задействованных в процессе изменчивости бактерий и выработке устойчивости перед антибиотиком. По мнению старшего исследователя группы Крейга МакЛина, этот ген действует как эволюционный катализатор для развития иммунитет вирусов к антибиотикам. То есть, бактерии, обладающие этим геном, способны с гораздо большей скоростью развивать устойчивость к антибиотикам.

Для того, чтобы проверить теорию, ученые применили ингибитор фермента под названием авибактам. Ранее уже было установлено. Что это вещество блокирует ключевой ген устойчивости, который, в свою очередь, контролируется тем самым главным геном – ampR.

Учёные объединили авибактам и цефтазидим (антибиотик), а затем подвергли их воздействию синегнойную палочку «Pseudomonas aeruginosa». Опыт показал, что вирусы – носители гена ampR смогли быстро выработать иммунитет к антибиотику - цефтазидиму. Но, добавление авибактама обеспечило желаемый эффект – он уничтожил вирусы раньше, чем они успели развить устойчивость.

Открытие необходимо будет еще проверить в реальных условиях, однако находка сама по себе является революционной. Науке удалось выявить генетическую причину мутаций вирусов.

Результаты исследования ученых изложены в издании Nature Ecology & Evolution.

Проект «Genome». Перекодирование ДНК человека

В 2016 году учеными был запущен масштабный проект «Genome», амбициозной целью которого является создание совершенных геномов. Одной из важных характеристик новых геномов планируется генетическая устойчивость к любым видам вирусов, и даже к онкологическим клеткам. Проект основан на первоначальном проекте генома человека, который был запущен еще в прошлом столетии.

Ученые предполагают, что достичь генетической устойчивости к вирусам будет возможно с помощью процесса перекодирования, который заменяет избыточный код. Каждая трехбуквенная строка букв ДНК называется кодоном. Она кодирует производство определенной аминокислоты. Например, код CAG обеспечивает глутамин. Все необходимые для существования организма белки (инсулин, коллаген, дистрофин) образуются в результате связи аминокислот между собой.

Существует только 20 аминокислот, но 64 комбинации четырех нуклеотидов ДНК. На самом деле жизнь может обойтись только одним кодоном для каждой аминокислоты. Перекодировка означает, что в тех местах в геноме, где выявляется один из трех избыточных кодонов (GTC, GTA и GTG), он заменяется на триплет GTT. Таким образом, каждый экземпляр одного кодона заменяется другим, эффективно удаляя один кодон из таблицы «генетического кода».

Как это сработает против вирусов? Гены вирусов включают избыточные кодоны. Они проникают в клетки организма и делают попытки захватить генетический механизм клетки для получения большего количества вирусов. Благодаря перекодировке вирус не сможет заставить клетку продуцировать вирусные белки. Таким образом, будет сформировано вирусное сопротивление клеток.

Руководители проекта заверили, что в итоге смогут синтезировать все гены человека, сшивая 200-буквенные длины. Теоретически, современные технологии позволяют это сделать. Но что в итоге получится из этого проекта, покажет время…

Kомпания Basis Genotech Group