2016_04

Разработаны методы, позволяющие располагать нит- Путем покрытия нитчатых фагов золотом и двуоки- 49
чатые бактериофаги один за другим («хвост к хвосту»). сью индия были получены электрохромные матери-
Получающиеся в результате мультифаговые структуры алы – пористые нанопленки, меняющие цвет при из-
представляют собой упорядоченные наноматрицы, менении электрического поля, способные реагировать
которые могут быть использованы для создания тран- на изменение электрического поля в полтора раза
зисторных и диодных устройств быстрее известных аналогов. Подобного рода матери-
алы перспективны для создания энергосберегающих
представляют библиотеки антител человека, поскольку ультратонких экранных устройств (Nam et al., 2012).
такие антитела могут быть использованы в терапии
без ограничения. В последние годы только на фарма- В Массачусетском технологическом институте
цевтическом рынке США продается около полутора бактериофаги стали основой для производства очень
десятка терапевтических антител, сконструированных мощных и чрезвычайно компактных электрических
с использованием этого метода. батарей. Для этого использовали живые, генетически
модифицированные фаги М13, неопасные для человека
Методология фагового дисплея нашла себе и совер- и способные присоединять к поверхности ионы различ-
шенно неожиданное применение. Ведь бактериофаги ных металлов. В результате самосборки этих вирусов
в первую очередь являются наноразмерными частица- были получены структуры заданной конфигурации,
ми определенной структуры, на поверхности которых которые при покрытии металлом сформировали до-
располагаются белки, которые с помощью фагового статочно длинные нанопровода, ставшие основой анода
дисплея можно «снабдить» свойствами специфически и катода. При самоформировании материала анода
связываться с нужными молекулами. Такие наноча- использовался вирус, способный присоединять золото
стицы открывают широчайшие возможности для соз- и оксид кобальта, для катода – способный присоединять
дания материалов с заданной архитектурой и «умных» фосфат железа и серебро. Последний фаг также обла-
молекулярных наноустройств, при этом технологии дал способностью за счет молекулярного опознания
их производства являются экологически чистыми. «подхватывать» концы углеродной нанотрубки, что
необходимо для обеспечения эффективного переноса
Так как вирус представляет собой достаточно жест- электронов.
кую конструкцию с определенным соотношением раз-
мерностей, это обстоятельство позволяет использовать На основе комплексов бактериофага М13, двуокиси
его для получения пористых наноструктур с известной титана и одностенных углеродных нанотрубок были
площадью поверхности и нужным распределением пор также созданы материалы для солнечных батарей (Dang
в структуре. Как известно, именно площадь поверхно- et al., 2011).
сти катализатора является критическим параметром,
определяющим его эффективность. А существующие Последние годы ознаменовались широкими ис-
на сегодня технологии формирования на поверхности следованиями бактериофагов, которые находят
бактериофагов тончайшего слоя металлов и их оксидов себе все новые применения не только в терапии,
позволяют получать катализаторы с чрезвычайно раз- но и в био- и нанотехнологиях. Их очевидным
витой регулярной поверхностью заданной размерности. практическим результатом должно стать возникновение
(Lee et al., 2012). нового мощного направления персонализированной
медицины, а также создание целого спектра технологий
Исследователь из Массачусетского технологического в пищевой промышленности, ветеринарии, сельском
института А. Бельхер использовала бактериофаг M13 хозяйстве и в производстве современных материалов.
как шаблон для роста наночастиц и нанопроводов родия Мы ждем, что второе столетие исследований бактерио-
и никеля на поверхности оксида церия. Полученные на- фагов принесет не меньше открытий, чем первое.
ночастицы катализатора способствуют «конвертации»
этанола в водород, таким образом, этот катализатор Литература
может оказаться весьма полезным для модернизации Бактериофаги: биология и применение / Ред.: Э. Каттер,
существующих и создания новых водородных топлив- А. Сулаквелидзе. М.: Научный мир. 2012.
ных ячеек. Катализатор, выращенный на шаблоне виру- Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М.: Мир.
са, отличается от аналогичного по составу «обычного» 1974. 614 с.
катализатора более высокой стабильностью, он менее Тикунова Н. В., Морозова В. В. Фаговый дисплей на основе
подвержен старению и дезактивации поверхности (Nam нитчатых бактериофагов: применение для отбора реком-
et al., 2012). бинантных антител // Аcta Naturae. 2009. № 3. C. 6—15.
Mc Grath S., van Sinderen D. Bacteriophage: Genetics and
Molecular Biology. Horizon Scientific Press, 2007.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/bakteriofagi-100-let-na-sluzhbe-chelovechestvu/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Вирусология А. А. ШИРЯЕВА, А. В. СТРОЦКАЯ, К. В. СЕВЕРИНОВ

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

Ключевые слова: бактериофаги, механизмы
бактериального иммунитета, системы CRISPR-Cas,
редактирование геномов.
Key words: bacteriophages, bacterial defense mechanisms,
CRISPR-Cas systems, genome editing

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ НАУКА из первых рук

ШИРЯЕВА Анна Александровна – СТРОЦКАЯ Александра Валерьевна – СЕВЕРИНОВ Константин Викторович –
аспирант Сколковского института аспирант и младший научный доктор биологических наук,
науки и технологий (Москва), сотрудник лаборатории системной профессор Сколковского института
стажер-исследователь лаборатории биомедицины и биотехнологии науки и технологий (Москва),
молекулярной микробиологии Сколковского института науки Ратгерского университета (Нью-
НИК «Нанобиотехнологии» Санкт- и технологий (Москва). Джерси, США), Санкт-Петербургского
Петербургского политехнического Автор и соавтор 3 научных публикаций политехнического университета
университета Петра Великого. Петра Великого; заведующий
Соавтор 1 научной публикации лабораторией регуляции экспрессии
генов мобильных элементов прокариот
Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. Института молекулярной генетики РАН 51
В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности (Москва), лаборатории молекулярной
бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по про- генетики микроорганизмов Института
изводству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, биологии гена РАН (Москва).
а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать Автор и соавтор более 200 научных
новые бактерии. публикаций

Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встре- В ходе эволюции происходила
чаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность и сейчас происходит селекция бак-
этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где терий, способных избежать гибели
производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто при инфицировании вирусами, что,
приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие в свою очередь, служит стимулом
молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется для бактериофагов совершенство-
молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным вать свои агрессивные стратегии.
экономическим потерям (Neve et al., 1994). Эта «гонка вооружений», длящаяся
несколько миллиардов лет, т. е.
Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной ровно столько, сколько существуют
промышленности, направленным на получение устойчивых к бактерио- сами бактерии и их враги, породила
фагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, целый ряд изощренных механизмов
с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изу- защиты и нападения
чены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают
бактериальные системы защиты (Moineau et al., 1993).

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, на-

конец, системы CRISPR-Cas. © А. А. Ширяева, А. В. Строцкая, К. В. Северинов

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Вирусология

1
2

3

4
БАКТЕРИОФАГ

ДНК фага Клеточный
рецептор
Уничтожение чужой ДНК 5
Предотвращение
заражения Интеграция
в геном хозяина
Инфекция
CH
3 R

ДНК бактерии

М Cas1/2

Самоуничтожение Cas

БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА CRISPR-кассета
Запоминание
На сегодня известно несколько стратегий, которые бактерии используют
в борьбе с вирусами и плазмидами, в результате чего удается либо патогенов
воспрепятствовать проникновению чужеродной ДНК в бактериальные
клетки, либо уничтожить ее уже внутри бактерии. К таким способам
защиты относятся изменение бактериальных клеточных рецепторов (1),
исключение суперинфекции (множественного заражения) (2),
системы рестрикции-модификации, разрушающие всю «чужую»
неметилированную ДНК (3). В некоторых случаях бактериальная клетка
даже идет на «самоубийство», чтобы ограничить численность вирусного
потомства (системы абортивной инфекции) (4). Одним из самых
впечатляющих примеров механизмов бактериального иммунитета
являются системы CRISPR-Cas, основанные на «запоминании»
патогенов (5)

Вирусная атака начинается с прикрепления фага Однако потеря рецепторов не всегда выгодна для бак-

к специфическому рецептору на поверхности бактери- терии, поскольку они выполняют разнообразные
альной клетки, но при потере рецептора или изменении важные функции, например, транспорт питательных
в его структуре связывания вируса не происходит. веществ или формирование межклеточных контактов
Бактерии могут менять рецепторы в зависимости (Lopez-Pascua et al., 2008). В результате для каждой
пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции нахо-
52 от окружающих условий, таких как плотность и разно- дится оптимальное решение, обеспечивающее прием-
образие микроорганизмов в среде, а также доступность
питательных веществ (Bikard et al., 2012). Любопытный лемый уровень защиты при сохранении возможности
пример – бактерии вида Vibrio anguillarum, которые роста бактерий в различных условиях среды.
Следующий защитный механизм – исключение супер-
способны формировать биопленку, т. е. плотный слой
клеток, прикрепленный к какой-либо поверхности. инфекции. Для бактериофагов известны два основных
У этой бактерии имеется своего рода «чувство кво- пути инфекции: литический, приводящий к быстрой
рума», за счет чего при увеличении плотности клеток гибели зараженной бактерии с высвобождением ви-
у них понижается выработка рецептора, с которым русного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда
может связываться вирус. В результате биопленка наследственный материал вируса находится внутри
становится почти полностью устойчивой к заражению генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК,
не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится
(Tan et al., 2015).

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ НАУКА из первых рук

В 1978 г. за открытие ферментов рестриктаз швейцар- основаниям метильные группы, что предотвращает их 53
ский генетик В. Арбер и американские микробиологи узнавание рестриктазой.
Д. Натанс и Г. Смит были удостоены Нобелевской пре-
мии. Изучение систем рестрикции-модификации привело В ДНК бактерии, содержащей такую систему, все
к созданию технологии молекулярного клонирования, сайты модифицированы. И если бактерия заражается
которая широко применяется во всем мире. С помощью вирусом, ДНК которого не содержит подобной модифи-
рестриктаз можно «вырезать» гены из генома одного кации, рестриктаза защитит ee от инфекции, разрушив
организма и вставить в геном другого, получив химер- вирусную ДНК. Многие вирусы «борются» с системами
ную рекомбинантную ДНК, не существующую в приро- рестрикции-модификации, не используя в своих гено-
де. Различные вариации этого подхода используются мах последовательности, узнаваемые рестриктазой, –
учеными для изолирования отдельных генов и их даль- очевидно, что вирусные варианты с другой стратегией
нейшего изучения. Кроме того, он широко применяется просто не оставили потомства.
в фармацевтике, например, для наработки инсулина
или терапевтических антител: все лекарства такого рода Последней и в настоящее время самой интересной
созданы с помощью молекулярного клонирования, т. е. системой бактериального иммунитета является система
являются продуктом генной модификации CRISPR-Cas, с помощью которой бактерии способны
«записывать» в собственный геном и передавать потом-
в состоянии лизогенной инфекции, то, с точки зрения ству информацию о фагах, с которыми они сталкива-
«домашнего» вируса (профага), ее заражение другим лись в течение жизни. Наличие таких «воспоминаний»
вирусом нежелательно. позволяет распознавать ДНК фага и эффективней
противостоять ему при повторных инфекциях. В на-
Действительно, многие вирусы, встроившие свою стоящее время к системам CRISPR-Cas приковано
ДНК в геном клетки, ограничивают вновь проникшего пристальное внимание, так как они стали основой
в клетку бактериофага («суперинфекцию») посред- революционной технологии редактирования геномов,
ством специальных белков-репрессоров, не позволя- которая в будущем, возможно, позволит лечить генети-
ющих генам «пришельца» работать (Calendar, 2006). ческие заболевания и создавать новые породы и сорта
А некоторые фаги даже препятствуют другим вирусным сельскохозяйственных животных и растений.
частицам проникнуть в инфицированную ими клетку,
воздействуя на ее рецепторы. В результате бактерии- Системы CRISPR-Cas являются уникальным при-
носительницы вируса имеют очевидное преимущество мером адаптивного иммунитета бактерий. При про-
по сравнению с незараженными собратьями. никновении в клетку ДНК фага специальные белки
Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной
Во время инфекции все ресурсы бактериальной 25—40 нуклеотидов в определенный участок генома
клетки направлены на производство новых вирусных бактерии (Barrangou et al., 2007). Такие фрагменты
частиц. Если рядом с такой клеткой будут находиться называются спейсерами (от англ. spacer –промежуток),
другие уязвимые бактерии, то инфекция быстро рас- участок, где происходит встраивание, –CRISPR-кассета
пространится и приведет к гибели большинства из них. (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic
Однако для таких случаев у бактерии имеются так Repeats), а сам процесс приобретения спейсеров – адап-
называемые системы абортивной инфекции, которые тацией.
приводят ее к запрограммированной гибели. Конеч-
но, этот «альтруистичный» механизм не спасет саму Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой
зараженную клетку, но остановит распространение инфекцией, в клетке должен происходить еще один
вирусной инфекции, что выгодно для всей популяции. процесс, управляемый белками Cas, названный интер-
Бактериальные системы абортивной инфекции очень ференцией. Суть его в том, что в ходе транскрипции
разнообразны, но детали их функционирования пока CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК,
изучены недостаточно. которая разрезается белками Cas на короткие фрагмен-
ты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых
К средствам противовирусной защиты бактерий от- содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой
носятся и системы рестрикции-модификации, в которые крРНК образуют эффекторный комплекс, который
входят гены, кодирующие два белка-фермента – ре- сканирует всю ДНК клетки на наличие последова-
стриктазу и метилазу. Рестриктаза узнает определен- тельностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров).
ные последовательности ДНК длиной 4—6 нуклеотидов Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas
и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012).
напротив, ковалентно модифицирует эти последо-
вательности, добавляя к отдельным нуклеотидным Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства
прокариот –бактерий и архей. Хотя общий принцип

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Вирусология

ДНК фага

Cas1 CRISPR-кассета
Cas2
Спейсер ДНК
Встраивание нового спейсера бактерии
Считывание первичной РНК

Созревание РНК крРНК

Формирование эффекторного Cas
комплекса

Уничтожение ДНК фага

54

При формировании адаптивного иммунитета бактерий бактериальные белки Cas1 и Cas2
встраивают фрагменты вирусной ДНК в качестве спейсеров в CRISPR-кассету, в которой
соседние спейсеры отделены друг от друга повторами ДНК (Nuñez et al., 2014, 2015a, b).
CRISPR-кассета транскрибируется с образованием длинной некодирующей РНК.
Специальные белки Cas, а также, в некоторых случаях, другие белки бактерии нарезают
эту РНК на короткие криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер
и часть повтора. В ходе интерференции белки Cas вместе с крРНК образуют эффекторный
комплекс, который сканирует ДНК клетки в поисках последовательностей, соответствующих
спейсеру крРНК, и разрезает их (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012)

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ НАУКА из первых рук

Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направ- В ходе эволюции бактерии и бактериофаги вырабо- 55
ленные изменения в геноме бактерий, которые насле- тали ряд приспособлений, которые должны обеспечить
дуются и дают бактериям явное преимущество, спасая каждому из участников «гонки вооружений» преи-
от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas мущество в борьбе с противником или возможность
можно считать примером ламарковской эволюции, уклониться от его атаки.
при которой происходит наследование благоприобре-
тенных признаков (Koonin et al., 2009) Что касается систем CRISPR-Cas, то если фаг обза-
ведется мутацией в протоспейсере, эффективность его
действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, узнавания эффекторным комплексом снижается, и фаг
механизмы их работы могут существенно отличаться получает возможность заразить клетку. Но и бактерия
в деталях. Наибольшие различия проявляются в строе- не оставит без внимания такую попытку ускользнуть
нии и функционировании эффекторного комплекса, от CRISPR-Cas: в качестве ответной реакции она начи-
в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько нает с резко возросшей эффективностью приобретать
типов. На сегодняшний день описаны шесть типов та- новые дополнительные спейсеры из ДНК уже «зна-
ких неродственных друг другу систем (Makarova et al., комого» фага, пусть и мутировавшего. Такое явление,
2015; Shmakov et al., 2015). названное праймированной адаптацией, многократно
повышает эффективность защитного действия систем
Наиболее изученной является система CRISPR- CRISPR-Cas (Datsenko et al., 2012).
Cas I типа, которой обладает излюбленный объект
молекулярно-биологических исследований – бактерия Некоторые бактериофаги реагируют на наличие
кишечная палочка (Esсherichia coli). Эффекторный ком- в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выра-
плекс в этой системе состоит из нескольких небольших боткой особых анти-CRISPR белков, способных свя-
белков Cas, каждый из которых отвечает за разные зываться с белками Cas и блокировать их функции
функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR (Bondy-Denomy et al., 2015). Еще одно ухищрение –
РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем раз- обмен участков генома вируса, на которые нацелена
резание ДНК-мишени. система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных
вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной по-
В системах II типа эффекторный комплекс образован следовательности (Paez-Espino et al., 2015).
единственным большим белком Cas9, который в оди-
ночку справляется со всеми задачами. Именно простота Результаты работ нашей лаборатории свидетельству-
и относительная компактность таких систем послужили ют, что зараженные клетки на самом деле погибают
основой для разработки технологии редактирования даже при наличии защиты CRISPR-Cas, но при этом
ДНК. Согласно этому методу, в клетки эукариот (напри- они ограничивают численность вирусного потомства.
мер, человека) доставляют бактериальный белок Сas9 Поэтому CRISPR-Cas правильнее относить к системам
и крРНК, которую называют гидовой (гРНК). Вместо абортивной инфекции, а не к «настоящим» иммунным
спейсера вирусного происхождения такая гРНК содер- системам.
жит целевую последовательность, соответствующую
интересному для исследователя участку генома, напри- Благодаря постоянному совершенствованию биоин-
мер, где есть мутация, вызывающая какую-то болезнь. форматических алгоритмов поиска, а также включению
Получить же гРНК «на любой вкус» совсем несложно. в анализ все большего количества прокариотических
геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем
Эффекторный комплекс Cas9-гРНК вносит двуце- является делом недалекого будущего. Предстоит так-
почечный разрыв в последовательность ДНК, точно же выяснить и детальные механизмы работы многих
соответствующую «гидовой» РНК. Если вместе с Cas9 недавно открытых систем. Так, в статье, опубликован-
и гРНК внести в клетку и последовательность ДНК, ной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу
не содержащую мутацию, то место разрыва будет вос- системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, об-
становлено по матрице «правильной» копии! Таким разующий эффекторный комплекс с крРНК, который
образом, используя разные гРНК, можно исправлять нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh
нежелательные мутации или вводить направленные et al., 2016). В будущем такое необычное свойство
изменения в гены-мишени. Высокая точность програм- может быть использовано в медицине для регулиро-
мируемого узнавания мишеней комплексом Cas9-гРНК вания активности генов путем изменения количества
и простота метода привели к лавинообразному росту кодируемых ими РНК.
работ по редактированию геномов клеток животных
и растений (Jiang & Marraffini, 2015).

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Вирусология

Белок Cas9 Протоспейсер Гидовая РНК (гРНК)
Спейсер
Редактируемая ДНК
Донорская ДНК

Двуцепочечный разрыв ДНК

Репарация ДНК

Разрыв в целевом гене

РЕПАРАЦИЯ ДНК Направленный мутагенез Исправление гена Добавление гена

аб в

56 Система CRISPR-Cas, используемая для редактирования генома, включает в себя гидовую

РНК (гРНК) и белок Cas9. С помощью белка Cas9 гРНК присоединяется к протоспейсеру –
участку вирусной ДНК, соответствующему спейсеру гРНК (либо, в случае искусственной
системы, участку целевого гена эукариотической клетки). После узнавания белок Cas9
разрезает цепь ДНК в одном строго определенном месте. Репарация ДНК в месте разреза
может происходить по пути негомологичного соединения концов, в результате чего
с большой частотой возникают мутации (а). Если же в клетку доставить искусственно
синтезированную донорcкую молекулу, которая соответствует участку разрыва, то таким
образом можно произвести либо замену участка гена (б), либо направленную встройку
трансгена (в). Таким образом, с помощью системы CRISPR-Cas можно исправлять
генетические нарушения или вносить желаемые изменения

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ НАУКА из первых рук

Изучение стратегий борьбы Литература 57
бактерий с бактериофагами, Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component
несмотря на свою кажущую- programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353:
ся фундаментальность и от- aaf5573.
влеченность от задач практической Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance
медицины, принесло неоценимую against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.
пользу человечеству. Примерами Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms
этого могут служить методы моле- of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol.
кулярного клонирования и редак- 2012. V. 1. P. 15–20.
тирования геномов– направленного Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas
внесения или удаления мутаций inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.
и изменения уровня транскрипции Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press.
определенных генов. 2006.
Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections
Благодаря быстрому развитию activates the CRISPR-Cas adaptive bacterial immunity system // Nat. Commun. 2012.
методов молекулярной биологии V. 3. P. 945
всего лишь через несколько лет по- Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from
сле открытия механизма действия Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.
систем CRISPR-Cas была создана Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA
работающая технология геномного endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.
редактирования, способная бороть- Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct.
ся с болезнями, ранее считавши- 2009. V. 4. P. 42.
мися неизлечимыми. Доступность Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite
и простота этой технологии позво- coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.
ляют рассматривать ее как основу Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-
для медицины, ветеринарии, сель- Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.
ского хозяйства и биотехнологий Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and
будущего, которые будут базиро- restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have
ваться на направленных и безопас- emerged recently in the dairy industry // Appl. Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.
ных генных модификациях. Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal
bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46.
Нет никаких сомнений, что даль- P. 167–178.
нейшее изучение взаимодействия Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas
бактерий и их вирусов может от- adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.
крыть перед нами такие возмож- Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer
ности, о которых мы сейчас даже acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014.
не подозреваем. 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.

Работа поддержана грантом РФФИ
(№ 16-34-01176)

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/virusy-i-bakterii-velikoe-protivostoyanie-/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Медицина

Правда о фаготерапии,В.В.ВЛАСОВ,В.В.МОРОЗОВА,Н.В.ТИКУНОВА

или Памятка врачу и пациенту

Первые клинические эксперименты с бактериофагами начались сто лет
назад. Казалось, что этот новый метод терапии обречен на успех:
с научной точки зрения он выглядел безупречным, и результаты
применения выглядели многообещающими.
Почему же в последующие десятилетия интерес к терапевтическому
применению бактериофагов в мире упал? Почему он возник вновь,
и почему эта замечательная идея до сих пор не реализована в полной
мере? И практические врачи, и их пациенты сегодня должны четко
представлять не только суть, но и все сильные и слабые стороны этого
перспективного вида терапии

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ НАУКА из первых рук

Бактериофаги – это не обычные лекарства. Они Однако результаты исследований тех времен были
не являются простыми химическими веществами, зачастую противоречивы: иногда фаги сразу подавляли
как антибиотики и большинство других препара- развитие инфекционных процессов, но иногда ока-
тов, но их вряд ли можно считать и полноценными зывались бесполезными. Специалисты сразу поняли,
живыми организмами, так как они, как и все остальные в чем причина: лечение было успешным лишь тогда,
вирусы, могут размножаться только в клетке-хозяине. когда использовались фаги, способные инфицировать
По сути, это нанороботы с генетической программой, именно тот бактериальный штамм, который и вызвал
способные проникнуть внутрь бактериальной клетки заболевание. Поэтому при возникновении эпидемии
и там размножиться, разрушив ее. требовалось выделить инфекционный агент, проверить
на нем имеющиеся фаговые препараты и запустить
Поэтому к бактериофагам не всегда применимы стан- в производство в качестве лекарства наиболее эффек-
дартные для фармакологии нормы и подходы. И хотя тивный бактериофаг.
фаговые препараты сегодня производятся и использу-
ются в медицине, наши знания о многообразии этих К сожалению, результаты подобных исследований,
вирусов, механизмах их взаимодействия с бактериями проводившихся в СССР, не были должным образом
и конкуренции с себе подобными пока недостаточны, документированы и описаны в научной литературе,
чтобы в полной мере использовать их мощный терапев- к тому же они проводились по схемам, не соответству-
тический потенциал. ющим принятым на сегодня протоколам клинических
испытаний. Тем не менее главные результаты этой рабо-
Фаготерапия родилась едва ли не сразу после откры- ты были бесспорны: фаги доказали свою безопасность
тия самих бактериофагов, однако широкие испытания и высокую эффективность в реальных условиях и с тех
этих противобактериальных средств начали проводить- пор используются в нашей стране в клинической прак-
ся в СССР только в конце 1930-х гг. В результате была тике наряду с обычными лекарственными средствами.
доказана эффективность препаратов бактериофагов как
профилактического средства при борьбе с эпидемиями С появлением антибиотиков интерес к фагам на За-
дизентерии и холеры, а использование их при лечении паде был утрачен, но после появления антибиоти-
ран и гнойно-воспалительных процессов показало их коустойчивых штаммов бактерий в разных странах
потенциал как альтернативы антибиотикам. начали разрабатывать фаговые препараты и проводить
испытания, которые, по сути, повторяли исследования,
уже проведенные в СССР. Результаты этих работ вновь

59

ВЛАСОВ Валентин Викторович – МОРОЗОВА Вера Витальевна – ТИКУНОВА Нина Викторовна – доктор
академик РАН, доктор химических кандидат биологических наук, старший биологических наук, заведующая
наук, профессор, директор научный сотрудник лаборатории лабораторией молекулярной
Института химической биологии молекулярной микробиологии микробиологии Института химической
и фундаментальной медицины Института химической биологии биологии и фундаментальной
СО РАН (Новосибирск). Лауреат и фундаментальной медицины СО РАН медицины СО РАН (Новосибирск).
Государственной премии РФ (1999). (Новосибирск). Автор и соавтор 120 научных работ,
Автор и соавтор более 300 научных Автор более 30 научных работ, 21 патента
работ, 20 патентов 6 патентов.

Ключевые слова: бактериофаги, фаготерапия, фагосодержащие лекарства,

Key words bacteriophages, phage therapy, phage-based preparation © В. В. Власов, В. В. Морозова Н. В. Тикунова, 2016

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Медицина

Бакпосев для выявления Обработка раны
патогенного микроорганизма фаговым препаратом

?

Staphylococcus Proteus Pseudomonas
spp. mirabilis aeruginosa

Подбор и наработка
бактериофагов

В новосибирской клинике
проводится экспериментальное
лечение диабетической
стопы – грозного осложнения
диабета, которое может привести
к гангрене, потере конечности
и инвалидизации больного.
Бактериальная инфекция является
одним из факторов, вызывающих
эту тяжелую патологию.
При фаговой терапии

60 диабетической стопы из больных
тканей берут мазок для выявления
конкретной бактерии-патогена.
Затем из коллекции бактериофагов
подбирают тот, который способен
лизировать
именно эту бактерию. Фаговый
препарат наносят на стерильную
салфетку, которую прикладывают
к ране. Лечение длится около
недели

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ НАУКА из первых рук

АНТИБИОТИКИ БАКТЕРИОФАГИ

ДОСТОИНСТВА: ДОСТОИНСТВА:
специфичность действия, для любой бактерии можно
широкий спектр действия; найти убивающий ее бактериофаг;
простота патентования поиск нового фага занимает несколько дней или недель;
производство недорогое и экологически чистое;
НЕДОСТАТКИ: не вызывают дисбактериоз;
не токсичны и не вызывают побочных эффектов;
разрушают собственную микрофлору организма, после уничтожения патогенного агента элиминируются
что создает угрозу вторичных инфекций; из организма
не способны концентрироваться в области
инфекционного поражения; НЕДОСТАТКИ:
вызывают побочные эффекты: аллергии, кишечные слишком высокая избирательность – для гарантии
расстройства и т. д.; успеха лечения нужно идентифицировать патоген;
приводят к возникновению бактериальных штаммов патентование затруднено
с лекарственной устойчивостью;
создание новых антибиотиков – длительный
и дорогостоящий процесс

ЗНАКОМЬТЕСЬ – ФЕКОТРАНСПЛАНТАЦИЯ подтвердили безопасность препаратов бактериофагов, 61
что, в частности, отметило и Управление по контролю
После лечения антибиотиками в кишечнике иногда проис- за качеством пищевых продуктов и лекарственных
ходит быстрое размножение агрессивной бактерии рода препаратов США (FDA).
клостридий – Clostridium difficile, вызывающей тяжелейшую
диарею, не поддающуюся медикаментозному лечению. В Великобритании успешно проведены экспери-
Проблема настолько серьезна, что еще недавно от этой менты по лечению бактериофагами хронического
болезни в США погибали ежегодно тысячи больных. Лечить отита, вызванного нечувствительной к антибиотикам
эту диарею научились совсем недавно и очень простым синегнойной палочкой Pseudomonas aeruginosa, а в рам-
способом – вводя в кишечник больного фекальную микро- ках проекта Phagoburn семь медицинских центров
флору, взятую от здорового донора. Выздоровление часто Франции, Бельгии и Швейцарии проводят клиниче-
наступает практически мгновенно, буквально на следующий ские испытания коктейля фагов для предотвращения
день. Очевидно, при такой «пересадке» фекалий больной инфекций при ожогах. Об испытаниях собственных
получает полный набор «правильных» микроорганизмов, оригинальных коктейлей фагов для лечения широкого
уничтоженных антибиотиками, плюс бактериофаги, регу- спектра заболеваний сообщает и ряд американских
лирующие численность патогенных штаммов. фирм (Intralytix, Enbiotix, AmpliPhi). Правда ни одно
Первоначально распространение метода в США сдержи- из этих масштабных клинических испытаний пока
валось FDA, которое пыталось использовать в его отно- не доведено до конца.
шении принципы регулирования, принятые для обычных
лекарств. Однако протесты терапевтов и больных наряду В России препараты бактериофагов можно приоб-
с очевидной безопасностью процедуры сыграли свою роль, рести в обычной аптеке. Но при этом нужно понимать,
и ее разрешили проводить, используя обычные меры пре- что в отличие от других лекарств с точной химической
досторожности – выбор здоровых доноров и проведение формулой и концентрацией действующих компонентов
процедуры специалистами в лечебных учреждениях. Этот препарат бактериофага представляет собой нестандарт-
метод лечения в последние несколько лет получил в США ный раствор, содержащий живые вирусные частицы.
широкое распространение, давая хорошие результаты. Ве- Даже препарат с одним и тем же названием, но произ-
роятно, только предубеждением врачей можно объяснить веденный на разных предприятиях или в разное время,
тот странный факт, что лечение фекотрансплантацией может содержать отличающиеся комбинации и (или)
сегодня практикуется не во всех европейских странах, пропорции фагов.
а в России его можно получить только в Центре новых
медицинских технологий в новосибирском Академгородке Все эти различия обусловлены самой спецификой
процедуры отбора фагов и их производства. Бактерио-
фаги отбирают по способности лизировать конкретный
изолят бактерии, затем смесь фагов выращивают на за-
данной бактериальной культуре, а потом «запускают»

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Медицина 3 4

12

В жизненном цикле биопленки выделяют несколько стадий: первичное прикрепление
микроорганизмов к поверхности (адгезия) (1); фиксация (окончательное прикрепление)
с выделением внеклеточных полимеров (2); созревание, когда в колонии накапливаются
питательные вещества, а клетки начинают делиться (3); дисперсия – выброс с поверхности
биопленки микроорганизмов, которые могут стать родоначальниками новых колоний (4)

62 Считается, что в естественной среде
подавляющее большинство микро-
Ноябрь • 2016 • № 4 (70) организмов, обитающих в условиях
текучести на поверхности раздела
двух сред, существует в виде «био-
пленок» – своеобразных «колоний»
с особой пространственной и ме-
таболической структурой. В таких
«городах микробов» бактериальные
клетки погружены во внеклеточный
слизистый матрикс, формируемый
полимерными веществами, выделя-
емыми самими клетками. Объект,
к поверхности которого прикреплена
биопленка, может быть как нежи-
вым (например,камни, катетеры,
суставные протезы и др.), так
и представлять собой часть живо-
го организма (стенки кишечника,
зубы, кожа и т. п.). Такая форма
существования дает микроорганиз-
мам массу преимуществ: благодаря
слизистому матриксу микрофло-
ра биопленки оказывается более
устойчива к воздействию неблаго-
приятных факторов самой разной
природы, от ультрафиолетового из-
лучения и дегидратации до антибио-
тиков. Матрикс защищает бактерии
и от атак бактериофагов и иммунных
клеток организма-хозяина

http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ НАУКА из первых рук

в производство, где бактериофаги размножают уже В инфицированном организме фаги размножаются, 63
в больших емкостях-ферментерах с использованием пока не погибнет большинство чувствительных к ним
«производственных» штаммов бактерий. бактериальных клеток. Окончательное выздоровление
больного, в организме которого произошла «битва»
В результате получается препарат, который убивает бактериофагов с бактериями, наступит, когда в пол-
вполне определенный бактериальный штамм. На- ную силу заработает иммунная система, которая будет
пример, «бактериофаг синегнойный» содержит фаги, защищать человека еще долгое время независимо
которые поражают синегнойную палочку P. aeruginosa, от присутствия патогена.
но сколько и каких фагов находится в конкретном пре-
парате, какие именно штаммы синегнойной палочки Кстати сказать, благодаря своей специфичности
он способен поражать, и подойдет ли он конкретному фаги не убивают «хорошие» микроорганизмы, т. е.
пациенту, лечащему врачу не известно. Если больной за- в отличие от антибиотиков, не нарушают микробиом
разился тем же штаммом, на котором выращивали фаг, человека. На сегодня известно, что нарушение кишеч-
препарат сработает на «отлично». В ином случае можно ной микрофлоры может приводить к тяжелым послед-
надеяться лишь на многокомпонентность фагового ствиям, от проблем с желудочно-кишечным трактом
коктейля – хорошо, если в нем окажется бактериофаг, до аллергий и нарушений функций центральной нерв-
специфично действующий на патоген. ной системы. Кроме того, бактериофаги не мешают
применению других терапевтических средств и сами
Поэтому покупать препарат бактериофага, чтобы не повреждаются ими.
лечиться самостоятельно, не стоит. Назначить лече-
ние и выбрать лекарство должен специалист. Спектр Почему же бактериофаги пока не стали основным
заболеваний, которые можно лечить бактериофагами средством борьбы с инфекциями, а в социальных сетях
широк: трофические язвы, ожоговые и раневые ин- пациенты жалуются на неудачные попытки лечения?
фекции, инфекции органов дыхания, мочеполовой Частично это объясняется использованием неадекват-
системы и желудочно-кишечного тракта, остеомиелит ных препаратов. Десять лет назад множество «лечебных
и т. п. Возбудителями болезней во всех этих случаях учреждений» рекламировали излечение от всех болез-
служат такие печально известные бактерии, как золоти- ней препаратами «стволовых клеток», а сейчас не ме-
стый стафилококк, включая лекарственно устойчивые нее активно рекламируются экстракты из «бактерий,
штаммы, синегнойная палочка, патогенные формы выделенных из вечной мерзлоты» и «препараты на ос-
кишечной палочки, сальмонеллы, протеи, стрептококки нове бактериофагов», в которых сами фаги обнаружить
и др. В принципе в природе можно найти бактериофаг не удается. Покупая препарат, нужно быть уверенным
против любой бактерии, включая возбудителей чумы в том, что его изготовил надежный производитель.
и сибирской язвы. Можно применять бактериофаги и
для профилактики бактериальных инфекционных бо- Основная же и главная причина неудач – неумелый
лезней, например, они были успешно использованы в подбор фагов для лечения конкретных пациентов. Каж-
детских садах и школах для предотвращения эпидемии дый конкретный фаг эффективен против одного или
дизентерии. максимум нескольких штаммов бактерий, а у разных
пациентов схожая по внешнему проявлению инфек-
Препараты бактериофагов используют либо местно, ция, например, ангина может быть вызвана разными
непосредственно в очаге поражения, либо принимают штаммами стрептококка. Чтобы вылечить больного,
внутрь. В рекламных изданиях утверждается, что фаги необходимо выделить культуру патогена и протести-
способны распространяться в организме человека ровать ее на чувствительность к конкретным фагам.
и проникать из желудка в кровоток, но четких и од- То есть терапия бактериофагами должна проводиться
нозначных научных подтверждений этого пока нет. с использованием принципов персонализированной
Напомним, что за словами «препарат бактериофага» медицины, к чему современная медицина практически
скрываются очень отличающиеся между собой вирусы не готова.
бактерий, и их судьба в организме может также сильно
различаться. Опыт СССР, Грузии и Польши показал, что для
успешного применения бактериофагов нужны не толь-
В ряде случаев фагам трудно добраться до своих ко клиника, но и производственно-лабораторный
«жертв». Например, возбудители туберкулеза находят- участок, располагающий коллекцией фагов и специ-
ся внутри клеток самого организма, куда фаги не могут алистами, способными идентифицировать бактерии,
проникнуть, а ряд бактерий формируют биопленки, подбирать и выделять бактериофаги для конкретного
непроницаемые не только для фагов, но и для анти- пациента.
биотиков. В этом случае дополнительно используют
ферменты, разрушающие биопленки, которые могут
продуцироваться специально сконструированными
фагами.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Медицина

НА ПУТИ К ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОЙФАГОТЕРАПИИ

В Новосибирском научном центре технологии персонали- Сотрудники лаборатории молекулярной

зированного лечения бактериофагами развивает консор- микробиологии Института химической биологии
циум Института химической биологии фундаментальной и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск)
медицины СО РАН и Центра новых медицинских технологий В. В. Морозова и Ю. Н. Козлова титруют препарат
в содружестве с клиницистами из Новосибирского НИИ бактериофага

травматологии и ортопедии им. Я. Л. Цивьяна и Дорожной

клинической больницы.

В большой коллекции бактериофагов ИХБФМ СО РАН ингаляциями синегнойного бактериофага была полностью

есть уникальные штаммы, способные бороться с недавно вылечена шестимесячная девочка с врожденным пороком

появившимися и уже получившими широкое распростра- развития гортани, у которой после установки трахеотоми-

нение возбудителями больничных инфекций, такими ческой трубки развился тяжелый трахеобронхит. Его возбу-

как грамотрицательные бактерии Acinetobacter baumanii, дителем оказался штамм синегнойной палочки, устойчивый

Stenotrophomonas maltophilia и др. Уже выделены и оха- практически ко всем антибиотикам, рекомендованным для

рактеризованы фаги, обладающие литической активностью лечения грудных детей. Девочку дважды в день в течение

в отношении более широкого спектра бактериальных недели лечили препаратами бактериофага. После исчез-

штаммов, в том числе антибиотикорезистентных, чем новения синегнойной палочки и прекращения инфекции

бактериофаги в коммерческих препаратах. К ним относятся трахеотомическую трубку убрали, и сейчас ребенок здоров.

бактериофаги синегнойной палочки, протеев, золотистого Что касается лечения хронических антибиотикорезистент-

64 и эпидермального стафилококков, клебсиеллы, патоген- ных инфекций мочевыводящих путей, то выяснилось, что

ных энтерококков. При расшифровке геномов наиболее для достижения успеха препарат следует вводить непо-

перспективных бактериофагов выявлены штаммы, отли- средственно в полость мочевого пузыря. Так удалось до-

чающиеся от известных ранее. биться положительного результата при лечении пациентки

Совместно с клиницистами накоплен опыт применения с длительным послеоперационным хроническим циститом,

бактериофагов для лечения инфекций, сопровождающих вызванным целым «букетом» антибиотикоустойчивых

синдром диабетической стопы, остеомиелит и хирургиче- энтеробактерий. Был подобран комплекс специфических

ские раневые инфекции. Есть случаи успешного излечения бактериофагов, который и вводился больной ежедневно

инфекций дыхательных путей, устойчивых к антибиоти- в течение 10 дней, после чего анализы мочи показали

кам, а также инфекций мочеполовой сферы. Например, отсутствие патогенной микрофлоры.

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ НАУКА из первых рук

Самое масштабное на сегодня производство бакте- Однако имеется ряд причин, не связанных с наукой,
риофагов для применения в медицине располагается которые тормозят прогресс создания и производства
в Российской Федерации. Широкий спектр фаговых «медицинских» бактериофагов. Дело в том, что вирусы
препаратов выпускает НПО «Микроген», мировой лидер бактерий легко и просто размножить, что открывает
в этой области. Терапевтические бактериофаги произ- широкие возможность контрафактного производства,
водятся также в Грузии, в Международном центре фа- ущемляющего экономические интересы добросовест-
готерапии имени Г. Элиавы (Тбилиси), где расположено ного производителя. Пока не решен и вопрос о том,
не только промышленное производство, но и клиника какие требования должны предъявляться к фагам как
с обширной коллекцией бактериофагов. С этим центром к терапевтическим препаратам. Ясно только то, что они
в рамках программы медицинского туризма сотрудни- должны отличаться от требований к синтетическим
чают клиники стран Европы и США, где фаготерапия лекарственным веществам. Геномы бактериофагов
пока не признана официальной медициной. В Польше, разнообразны, а при персонализированном подходе они
в Центре фаготерапии при Институте иммунологии вообще должны подбираться индивидуально.
и экспериментальной терапии Польской академии наук
препараты бактериофагов нарабатываются для экспе- Тем не менее биотехнологи, также как ученые и меди-
риментального клинического применения при лечении ки, надеются, что безвредные и эффективные препараты
пациентов, которым не помогают антибиотики все же займут свое законное место в арсенале терапии
инфекционных заболеваний.

Но в таком случае имеет ли смысл масштабное про- Литература 65
изводство фаговых препаратов? Ответ – да, потому что Алешкин А. В. Бактериофаги в инфекционной патологии:
проблема узкой специфичности фагов частично реша- прошлое, настоящее и будущее // Лекции по исследованию
ется производством фаговых коктейлей из нескольких и применению бактериофагов. 2016. Ульяновск. С. 11—51.
(иногда десятков) разных фагов, поражающих разные Бактериофаги: биология и применение. 2012. М: «Науч-
штаммы целевого возбудителя. Ведь подобрать для ный мир». Ред.: Э. Каттер и А. Сулаквелидзе.
больного нужный фаговый коктейль быстрее и проще, Козлова Ю. Н., Репин В.Е., Анищенко В.В., Власов В.В. и др.
чем тестировать отдельные фаги из большой коллекции. Штамм бактериофага Pseudomonas aeruginosa, использу-
емый в качестве основы для приготовления асептического
И все же не надо думать, что бактериофаги полностью средства против синегнойной палочки. // Патент РФ
заменят антибиотики – эти препараты дополняют друг №2455355. 2012.
друга, и применяться они должны в разных ситуациях. Козлова Ю. Н., Морозова В. В., Тикунова Н. В. и др. Штамм
Когда больной находится в тяжелом состоянии, и есть бактериофага Staphylococcus aureus SA20, обеспечиваю-
уверенность, что причиной служит бактериальная щий разрушение биопленок, образуемых бактериями рода
инфекция, времени на эксперименты и подбор пре- Staphylococcus // Патент РФ № 2565824. 2015.
паратов нет. Единственно правильное решение в этой Морозова В. В., Козлова Ю. Н., Тикунова Н. В. и др. Штамм
ситуации – антибиотик широкого спектра действия. бактериофага Citrobacter freundii CF17, способный лизиро-
вать патогенные штаммы Citrobacter freundii // Патент
Но в ситуации хронической инфекции или инфекции, РФ № 2565559. 2015.
вызванной бактериями со множественной устойчиво- Тикунова Н. В., Морозова В. В. Фаговый дисплей на основе
стью к антибиотикам, предпочтение следует отдавать нитчатых бактериофагов: применение для отбора реком-
бактериофагу. В случае таких затяжных болезней, как бинантных антител // Аcta Naturae. 2009. № 3. С. 6—15.
отит, у врача есть время, чтобы использовать фаговый Тикунова Н. В., Власов В. В. Бактериофаги – враги наших
коктейль или специально подобрать фаг. Или же, когда врагов // Наука из первых рук. 2013. № 2(50). С. 58—69.
после операции больной поражается антибиотико- Górski A. et al. Phages targeting infected tissues: novel
устойчивым бактериальным штаммом, и его состояние approach to phage therapy // Future Microbiol. 2015. V. 10.
быстро ухудшается, фаготерапия может стать един- P. 199—204.
ственным спасением. Międzybrodzki R. et al. Clinical aspects of phage therapy //
Adv. Virus. Res. 2012. V. 83. P. 73—121.
Богатый опыт применения бактериофагов в клини-
ческой практике, накопленный за последние сто В публикации использованы иллюстрации из книги
лет, свидетельствует о перспективности фаговых «Лечение ран бактериофагом» (М.: НАРКОМЗДРАВ СССР,
медицинских технологий. Дальнейшая работа МЕДГИЗ. 1941. 57 с.)
специалистов из множества компаний, работающих
сегодня в этой области, и применение методов синте-
тической биологии обязательно приведут к созданию
препаратов с несравненно большей эффективностью
по сравнению с современными фаговыми коктейлями.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/pravda-o-fagoterapii-pamyatka-vrachu-i-patsientu/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Медицина А. СУЛАКВЕЛИДЗЕ

ФАГОБИОТИКИ
для здоровой жизни

Наше здоровье и долголетие тесно связаны со «здоровьем» Ключевые слова: бактериофаги,
микробиома – содружества микроорганизмов, обитающих в теле фаготерапия, пробиотик, фагобиотик,
человека. На состояние этого важного «микробного органа», в свою фагосодержащие лекарства, фаговый
очередь, влияют многие факторы – от антибиотиков до стресса. биоконтроль.
Использование бактериальных вирусов в виде пробиотиков Key words bacteriophages, phage
для осторожного и направленного воздействия на микрофлору может therapy, probiotics, phagebiotic, phage-
стать профилактикой как тяжелых инфекционных болезней, based preparations, phage biocontrol
так и неинфекционных, таких как дисбактериоз и некоторые виды рака.
Это еще одно подтверждение того, что бактериофаги сегодня становятся
технологической платформой, на которой можно потенциально
разработать коммерческие продукты для самых разных целей,
от лечения людей и животных до обеспечения безопасности пищевых
продуктов

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ НАУКА из первых рук

Несмотря на соблазн использовать бактериофаги во всех ситуациях, где СУЛАКВЕЛИДЗЕ Александр – 67
задействованы бактериальные патогены, перед разработкой любого кандидат биологических наук, главный
фагового продукта требуется провести тщательный и всесторонний научный сотрудник и вице-президент
анализ проекта, включая техническую осуществимость, стоимость, по исследованиям и развитию
конкурентную среду и т. д. Важным фактором является и маркетинговая компании Intralytix (Балтимор, США).
стратегия: некоторые фагосодержащие препараты лучше позиционировать Международный эксперт по технологиям
как лекарства, однако другие можно использовать как биологически ак- использования фагов, главный
тивные добавки-пробиотики, которые продаются без рецепта. Дело в том, редактор журнала «Бактериофаг».
что способность литических бактериофагов уничтожать определенные Автор ряда публикаций по фаготерапии
болезнетворные бактерии, не влияя на нормальную бактериальную флору, и биоуправлению и 14 патентов
позволяет использовать их не только для лечения, но и для профилактики
многих бактериальных заболеваний. © А. Сулаквелидзе

К примеру, фаговые препараты, мишень которых – патогены, вызывающие
диарею, вполне могут стать биологически активной добавкой для профи-
лактики таких острых кишечных инфекций, как шигеллез. Кстати сказать,
об успешном применении фагов против Shigella spp. у людей свидетельству-
ет ряд публикаций в научной литературе бывшего СССР (Goodridge, 2013).
Такие пробиотики будут незаменимы для людей, много путешествующих
по странам, где высока заболеваемость бактериальной диареей.

Более сложный сценарий подразумевает использование литических фагов
для лечения, например, бактериальных осложнений ран, в которых уча-
ствует сразу несколько видов возбудителей. Эффективное лечение в этом
случае требует комплексных фаговых препаратов, таких как грузинский
Pyobacteriophage и российский «Пиобактериофаг комплексный» (производ-
ства НПО «Микроген»). В США успешно прошли испытания поливалент-
ного препарата, содержащего восемь литических фагов против трех видов
патогенных бактерий, характерных для инфицированных ран (кишечной
палочки, золотистого стафилококка и синегнойной палочки (Rhoads et al.,
2009). Производство и контроль за качеством подобных препаратов требует

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Медицина

гораздо больших усилий, поэтому
их предпочтительнее разрабаты-
вать и продавать как традиционное
лекарственное средство.

И, конечно, стоимость разработ-
ки, стратегии нормативно-правово-
го регулирования и временные рам-
ки для коммерциализации разных
продуктов будут также существенно
различаться.

68 Фагосодержащие лекарства по-
зволяют быстро и адекватно ре-
Литические бактериофаги направленно атакуют патогенные бактерии, агировать на появление новых
обитающие в наших органах, включая слизистую кишечника, не трогая высокоэффективных патогенных
полезную микрофлору клонов и фагоустойчивых мутантов
в популяциях бактерий. Так как
фаги эволюционировали совмест-
но с бактериями более 3 млрд лет
(Lenski, 1984), при необходимости
из окружающей среды можно от-
носительно легко выделить фаги
со способностью убивать любую
бактериальную «мишень».

С практической точки зрения
для этого нужно проводить мони-
торинг чувствительности патогена
и по мере необходимости обновлять
фагосодержащие препараты. Что
касается первого условия, то те-
стирование бактерий на чувстви-
тельность к антибиотикам – стан-
дартная практика во всех крупных
больницах. Эти процедуры можно
достаточно легко адаптировать под
бактериофаги, повысив пропуск-
ную способность оборудования
и внедрив фагоспецифичные про-
токолы.

Однако с нормативной точки зре-
ния возможны трудности. Обнов-
ление фаговых препаратов путем
замены старых штаммов на новые,
более эффективные, успешно про-
водилось в бывшем СССР и стра-
нах Восточной Европы. Но такая
практика внове для западных ре-
гулирующих органов, для которых
каждое изменение в лекарственном
препарате служит предметом ново-
го нормативного применения. Такие
требования будут препятствовать

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ НАУКА из первых рук

Бактериофаги относятся к наиболее распространенным технологию быстрого скрининга их активности против 69
выделенных бактериальных патогенов. Но это потребу-
организмам на Земле: ет некоторого творческого мышления от регулирующих
органов.
– одна столовая ложка (около 15 мл) обычной природной
воды содержит около 3 × 109 фаговых частиц (Bergh Наконец, необходимо продумать логистику, чтобы
et al., 1989); такой подход был еще и коммерчески жизнеспособ-
ным. Может оказаться целесообразным на первых
– фаги присутствуют, часто в огромных количествах, порах создать небольшое количество опорных клиник
или центров с хорошо подготовленным персоналом,
во всех свежих, необработанных продуктах (мясном где будут реализованы соответствующие технологии.
Число (размер) этих центров может впоследствии воз-
фарше, колбасе, мясе курицы, пресноводной и морской расти по мере того, как персонализированный подход
к лечению будет завоевывать все больше сторонников
рыбе, сыром молоке, сыре и другой «здоровой пище», среди специалистов-медиков.

включая йогурт) (Sulakvelidze & Kutter 2005); Одно из самых интригующих потенциальных при-
менений бактериофагов – использование их в качестве
– фаги присутствуют в кормах для животных и домашних пробиотиков для тонкой настройки микрофлоры желу-
дочно-кишечного тракта и (или) других органов – кожи,
птиц и в других кормовых ингредиентах (Maciorowski полости рта, влагалища.

et al. 2001). Большая часть бактерий находится в желудочно-ки-
шечном тракте, который колонизирован обильной
– по численности фаги являются вторыми после бакте- и разнообразной микрофлорой, играющей важную
роль не только в образовании фекалий, но и в защите
рий компонентами нормальной микрофлоры желудоч- слизистых оболочек, регуляции иммунологической
толерантности и синтеза витамина К. Многочислен-
но-кишечного тракта (Breitbart et al. 2003; Sulakvelidze ные факторы (лечение антибиотиками, неправильное
питание, психологический и физический стресс и др.)
& Kutter 2005) могут вызывать изменения состава микрофлоры
кишечника, что способствует развитию различных
развитию новых эффективных средств на основе бак-
териальных вирусов, ориентированных на один или
несколько патогенов (Sulakvelidze, 2012).

Позитивным моментом можно считать гибкость FDA
(американского Управления по санитарному надзору
за качеством пищевых продуктов и медикаментов)
в отношении использования фагов для обеспечения
безопасности пищевых продуктов. FDA разрешило
в будущем обновлять несколько таких препаратов
в ответ на появление в пищевых продуктах новых
фагоустойчивых штаммов бактериальных патогенов
(Woolston & Sulakvelidze, 2015). Может ли подобный
подход быть реализован для лечения человека, еще
предстоит выяснить. Однако делать это необходимо,
иначе мы не сможем оптимально использовать в здра-
воохранении все сильные стороны фаготерапии.

Следующая проблема возникает в связи с ситуацией,
когда фаги подбираются индивидуально для каждого
пациента. Так как литические фаги высоко специфич-
ны, коммерческие фаговые препараты могут оказаться
недостаточно эффективными в отношении конкретных
штаммов, преобладающих в той или иной больнице
или выделенных от конкретного пациента, как было
не раз показано советскими исследователями (Zhukov-
Verezhnikov et al., 1978). Один из подходов к решению
этой проблемы – проверка всех выделенных штаммов
бактерий на чувствительность к фагам в поисках наи-
более терапевтически активных вирусов. Подобный тип
«персонализированной медицины» приобретает в мире
все большую популярность, в том числе и в отношении
выбора наиболее эффективного антибиотика.

Таким образом, чтобы фаготерапия выбрала весь
свой потенциал, фаги должны быть «сделаны на за-
каз». С технической точки зрения это вполне выпол-
нимо: например, можно собрать большие библиотеки
охарактеризованных литических фагов и разработать

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Медицина

хронических и дегенеративных заболеваний, включая

ревматоидный артрит.

пврПрекрошаебчпииеатосьрттаимвткеныаодмнгоиапеооплсрннооебвнлеиеябмкаыкбтасеокртизеодрфоирааолгвоььвнеымммогут Один из подходов к лечению этих расстройств – ис-
пользование препаратов с полезными, «пробиотиче-
скими» микроорганизмами, которые при попадании
в организм в достаточных количествах препятствуют
распространению потенциально патогенных штаммов

и восстанавливают нормальный микробный баланс же-

лудочно-кишечного тракта, улучшая общее состояние

здоровья. Традиционно такие «коктейли» содержат раз-

Терапевтическое применение фагов пришло в упадок личные бактерии (чаще всего лакто- и бифидо-) и про-

после того, как в 1940—1950-гг. стали широко доступны даются как пищевые добавки, а также в виде напитков,

антибиотики. Фаготерапию продолжали практиковать детских смесей и т. п. (Schrezenmeir & de Vrese, 2001).

лишь в странах бывшего СССР и Восточной Европы В наши дни бактериальные пробиотики завоевывают

и, в гораздо меньшем масштабе, во Франции, Швейца- все большую популярность по всему миру.

70 рии и Египте (Sulakvelidze & Kutter 2005). За это время Однако в качестве пищевых добавок-пробиотиков

появилось несколько сотен публикаций относительно можно использовать и литические бактериофаги, пора-

различных терапевтических применений бактериофагов, жающие «проблемные» бактерии. Основное различие

но большинство из них, опубликованные преимуществен- между бактериальными и фаговыми пробиотиками

но в русских и грузинских биомедицинских журналах, заключается лишь в характере их воздействия на па-

были недоступны для западных специалистов. Сейчас тогены: «пробиотические» бактерии не допускают или
ситуация постепенно улучшается: например, недавно препятствуют заселению органа опасными «интервен-
было опубликовано на английском языке несколько тами», а фаги просто убивают их. При этом на микро-
обзоров ученых из стран бывшего Советского Союза флору в целом фагобиотики должны будут действовать
и Восточной Европы (Alisky et al., 1998; Sulakvelidze очень щадяще благодаря своей высокой активности
& Kutter, 2005) лишь в отношении конкретных видов бактерий. Кроме

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ НАУКА из первых рук

того, подобные препараты должны быть совместимы Производственная база американской 71
(по сути, синергичны) с бактериальными пробиотика- биотехнологической компании Intralytix, Inc.
ми. Такой подход может служить в качестве платформы (Балтимор, США). Фото автора
для разработки нового класса «супер пробиотиков».
ми». И действительно, на сегодня установлена тесная
И дело даже не в названии: важно то, что фагобиотики связь гепатобилиарного рака (рака печени и желчных
могут решить многие потенциальные проблемы со здо- путей) с хронической инфекцией желчного пузыря,
ровьем, так как их можно использовать в качестве новых вызываемого этой сальмонеллой (Dutta et al., 2000).
средств профилактики таких значимых инфекционных Фаги, которые будут нацелены на такие бактерии, могут
заболеваний бактериальной этиологии, как, например, в принципе снизить частоту возникновения некоторых
шигеллез, кариес, вызываемый Streptococcus mutans, видов злокачественных опухолей.
кожные и глазные болезни (угри, хронический бле-
фарит и эндофтальмит, вызываемые Propionibacterium Наконец, бактериофаги можно использовать и как
acnes), «женские болезни» (бактериальный вагиноз, уникальный инструмент для исследований функцио-
вызываемый Fusobacterium nucleatum). нальной организации микробиомов млекопитающих.
Например, с их помощью можно уничтожить или
Фагобиотический подход также открывает возмож- значительного уменьшить численность специфиче-
ности профилактики неинфекционных заболеваний, ских видов бактерий в желудочно-кишечном тракте
таких как ожирение и некоторые виды рака, развитие лабораторных животных, что будет «пробиотической
которых, как показывают современные исследования, версией» так называемого генетического нокаута. Из-
могут провоцировать определенные бактерии желудоч- учив последовавшие за этим вмешательством местные
но-кишечного тракта. К таким бактериям относятся, и системные физиологические изменения, можно оце-
на пример, E. coli типа B2, Bacteroides fragilis и Salmonella
Typhi, которые иногда так и называют «онкобактерия-

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ. Медицина

нить роль этих бактерий в микробиоме и их значимость ний день единственным препаратом на основе фага, одо-

для поддержания здоровья. Никакие другие доступные бренным FDA в качестве пищевой добавки. Препарат

в настоящее время антибактериальные агенты не дают активен в отношении бактерии Listeria monocytogenes,

такой возможности «прицельно» изучить конкретную вызывающей тяжелое заболевание, которое у людей

подгруппу бактерий. со слабым иммунитетом может приводить к серьезным

осложнениям и даже летальному исходу.

Еще нескольким фагосодержащим препаратам

для пищевых продуктов присвоен статус GRAS

Медленно, но неуклонно завоевывает признание (Generally Recognized As Safe – «в целом признаны

в США и концепция использования бактериофагов безопасными»). Вероятно, что большинство, если не

для обеспечения безопасности пищевых продуктов. Все все, фагосодержащие препараты для обеспечения безо-

больше производителей пищевых продуктов признают пасности пищевых продуктов (а, возможно, и для «про-

преимущество использования бактериальных вирусов; биотических» приложений) будут продаваться в США

о бактериофагах и их широком распространении в окру- именно в этом статусе.

жающей среде больше узнают и сами потребители. Большинство фаговых препаратов для обработки

С помощью фагов можно действительно безопасным пищевых продуктов (в том числе ListShield) не содержат

и экологически чистым способом снизить количество консервантов и не изменяют состав, вкус, аромат и цвет

патогенных бактерий (листерий, патогенных штаммов продуктов. Некоторые из них являются кошерными

кишечной палочки, сальмонелл и др.) в пищевых про- и халяльными и входят в список «органических мате-

дуктах без потери их питательной ценности и с сохра- риалов» международной некоммерческой организации

нением нормальной, часто полезной микрофлоры. Для National Review Institute, которая определяет условия,

72 этого к продуктам добавляются (к примеру, распыля- необходимые для качественного производства и пере-
ются по поверхности) соответствующие литические работки органической продукции. По сути, эти фаговые

бактериофаги в нужной концентрации. Если бакте- препараты признаны пригодными для использования

рий-мишеней в продуктах не появится, то со временем в производстве органических пищевых продуктов

фаги просто исчезнут. (Woolston & Sulakvelidze, 2015).

За последние годы FDA уже одобрила несколько та-

ких препаратов для обеспечения безопасности пищевых Чтобы фаготерапия стала широко доступной
продуктов (Sulakvelidze, 2012; Woolston & Sulakvelidze, во всем мире, безусловно, необходимо решить
2015). Первым официально признанным фагосодержа- ряд технических и других проблем (Sulakvelidze
щим препаратом для пищевых продуктов (в том числе & Kutter, 2005; Sulakvelidze, 2011). Однако,

готовых к применению) стал ListShield от компании учитывая уже имеющийся потенциал бактериофагов

Intralytix, Inc. Кстати сказать, он является на сегодняш- для безопасного и эффективного лечения заболева-

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ НАУКА из первых рук

ний, вызванных бактериями со В пищевых продуктах могут содержаться бактерии, вызывающие 73
множественной лекарственной кишечные инфекции. Чтобы снизить вероятность заражения,
устойчивостью, давно назрела не- их можно обрабатывать фаговыми препаратами, прицельно
обходимость приложить все усилия убивающими только патогены
по внедрению этого природного
антибактериального подхода в со- Литература
временную медицину. Alisky, J., K. Iczkowski, A. Rapoport and N. Troitsky. Bacteriophages show promise
as antimicrobial agents // J. Infect. 1998. V. 36(1). P. 5—15.
Что касается пробиотического Bergh, O., K. Y. Borsheim, G. Bratbak and M. Heldal. High abundance of viruses
использования фагов, то в течение found in aquatic environments // Nature. 1989. V. 340(6233). P. 467—468.
ближайших лет будут, очевидно, Breitbart, M., I. Hewson, B. Felts, et al. Metagenomic analyses of an uncultured
разработаны несколько таких пре- viral community from human feces // J. Bacteriol. 2003. V. 185(20). P. 6220—6223.
паратов, и начать можно с фагобио- Lenski, R. E. Coevolution of bacteria and phage: are there endless cycles of bacterial
тиков для профилактики и лечения defenses and phage counterdefenses? J. Theor. Biol. 1984. V. 108(3). P. 319—325.
диареи четко установленной бак- Maciorowski, K. G., S. D. Pillai and S. C. Ricke. Presence of bacteriophages in animal
териальной этиологии (например, feed as indicators of fecal contamination // J. Environ Sci. Health. 2001. V. 36(5).
того же шигеллеза). В конечном P. 699—708.
счете фагобиотический подход мо- Rhoads, D. D., R. D. Wolcott, M. A. Kuskowski, et al. Bacteriophage therapy of venous
жет быть использован для поддер- leg ulcers in humans: results of a phase I safety trial // J. Wound Care. 2009. V. 18(6).
жания нормальной бактериальной P. 237—238, 240—233.
флоры в целом, что будет служить Sulakvelidze, A. Challenges of bacteriophage therapy. Industrial Pharmaceutical
профилактикой многих болезней, Microbiology // N. Hodges and G. Hanlon. Passfield, England, Euromed
в том числе неинфекционной при- Communications, Ltd. 2012. S13.11—S13.20.
роды. В этом смысле фаги смогут Sulakvelidze, A., E. Kutter. Bacteriophage therapy in humans. Bacteriophages //
играть важную роль в нашей жизни, Biology and Application. E. Kutter, A. Sulakvelidze. Boca Raton, FL, CRC Press. 2005.
представляя собой уникальный P. 381—436.
инструмент для изучения, тонкой Woolston, J., A. Sulakvelidze. Bacteriophages and food safety eLS. Chichester, John
настройки и укрепления важней- Wiley & Sons, Ltd. 2015.
шего «микробного органа» нашего Zhukov-Verezhnikov, N. N., L. D. Peremitina, E. A. Berillo et al. (1978). Therapeutic
организма. effect of bacteriophage preparations in the complex treatment of suppurative surgical
diseases // Sov. Med. 1978. V. 12. P. 64—66.
Иллюстрации предоставлены автором

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagobiotiki-dlya-zdorovoy-zhizni/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

К. А. МИРОШНИКОВ

ФАГИ НА ГРЯДКАХ

ПрПороббллемеы ми пеырспективы применения
и пбаектрерсиофпаеговквтраиствениыеводстве
применения
бактериофагов
в растениеводстве

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) Встреча с бактериями зачастую заканчиватеся катастрофой
для растения – разрушением тканей, поражением

корневой и сосудистой систем. И даже когда бактериоз
не приводит к непосредственной гибели, развитие

растения замедляется, снижается его урожайность, теряется
товарный вид плодов. Для контроля над фитопатогенными

бактериями достаточно долго и вполне успешно использовали
специальные сельскохозяйственные препараты –

как правило, неочищенные и удешевленные версии медицинских
антибиотиков стрептомицинового и тетрациклинового ряда.

Однако этот путь весьма опасен и непредсказуем по последствиям
с точки зрения как глобальной экологии, так и нашего здоровья

http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ НАУКА из первых рук

МИРОШНИКОВ Константин Анатольевич – доктор
химических наук, заведующий лабораторией молекулярной
биоинженерии Института биоорганической химии
им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (Москва),
научный консультант Исследовательского центра
«ФитоИнженерия» (Московская обл., Рогачево).
Автор и соавтор 44 научных работ

Действие фитопатогенных бактерий наносит 75
значительный урон мировому сельскому хозяй-
Слева: бактериальный ожог и стеблевая гниль ству. Бороться же с такими инфекциями всегда
растения подсолнечника, вызванные Xanthomonas непросто. Как правило, сельскохозяйственно
campestris pv. campestris. Эта бактерия поражает значимые растения выращиваются на больших площа-
также корневую систему, которая некротизирует дях, и в этом случае индивидуальный мониторинг и об-
и загнивает, так как выделяемый бактерией работка каждого растения – процесс очень трудоемкий
высокомолекулярный полисахарид приводит и дорогой, если вообще возможный. В растениеводстве
к закупорке сосудов. Это заболевание, впервые борьба с сорными растениями, вредоносными насеко-
описанное в 1981 г. в США, в последние годы мыми и грибками осуществляется путем сплошной
получает все более ширкое распространение. обработки полей препаратами соответствующих гер-
Фото подсолнухов: © Creative Commons бицидов, пестицидов и фунгицидов.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ В последнее десятилетие мировое медицинское
сообщество бьет тревогу в связи со стремительным
распространением разновидностей (штаммов) болез-
нетворных бактерий, устойчивых к нескольким классам

Ключевые слова: болезни сельскохозяйственных растений,
бактериофаг, фаготерапия, белковая инженерия,
энзимология, молекулярная диагностика.
Key words: diseases of agricultural plant, bacteriophage, phage
therapy, protein engineering, enzymology, molecular diagnostics

© К. А. Мирошников

Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

применяемых в клинической практике антибиотиков. обоснованное адаптированное применение биологиче-

Инфекции, вызванные такими бактериями, приводят ских средств контроля.

к тяжелейшим осложнениям, затрудняют и затягивают Под биоконтролем мы понимаем использование

лечение болезней, приводя к тысячам смертей и колос- живых организмов – специфических хищников или па-

сальным экономическим потерям. разитов – для подавления популяций вредителей

Важно отметить, что наибольшую опасность пред- в сельскохозяйственных угодьях. В частности для борь-

ставляют внутрибольничные инфекции, вызванные бы с бактериальными инфекциями растений представ-

штаммами, которые циркулируют в медицинских ляется привлекательной стратегия использования

учреждениях: подвергаясь постоянному давлению в ре- бактериофагов – бактериальных вирусов, нацеленных

зультате применения противомикробных препаратов, на конкретные патогены. Эта концепция имеет много

эти бактерии приспосабливаются к ним, приобретая достоинств. Фаги – естественные обитатели тех же

множественную устойчивость к антибиотикам. экологических ниш, что и бактерии; соответственно, их

Вероятность подхватить подобную антибиотико- использование не влияет на состояние крупных эколо-

устойчивую инфекцию «на улице» пока что сравни- гических систем. Их селекция и применение логичны,

тельно невысока, так как медицинские антибиотики сравнительно просты и недороги. Сельскохозяйствен-

оказывают влияние на окружающую среду лишь в ме- ную «фаготерапию» можно сочетать с большинством

стах своего постоянного использования. Однако этот других методов химического и биологического контро-

«недостаток» с лихвой перекрывается антибиотиками ля, при этом она безопасна как для самих растений, так

сельскохозяйственными, десятки тысяч тонн которых и для человека и животных.

ежегодно используются в мире для борьбы с бактери- Однако следует иметь в виду, что фаговый фитокон-

озами животных и растений. Именно со злоупотребле- троль – не панацея против растительных патогенов.

нием сельскохозяйственными противомикробными Для успешного внедрения любой фаготерапии, в том

препаратами связывают массовое появление «условных числе и растительной, требуется детальное понимание

патогенов» – распространенных в природе бактерий, биологии и геномики бактериофагов и целевых микро-

не представляющих особой опасности для здорового организмов, изучение их взаимодействия, селекция

человека, но способных поражать людей с ослабленным подходящих фагов. Наукоемкость этого метода кажется,

иммунитетом. При этом в силу антибиотикоустойчиво- на первый взгляд, пугающей. Но насколько эти опасе-

сти избавиться от них почти невозможно. ния реалистичны, и каковы перспективы у сельскохо-

Поэтому законодательные меры по ограничению зяйственной фаготерапии?

использования антибиотиков в сельском хозяйстве,

особенно не в лечебных, а в профилактических це-

лях, – весьма разумный шаг с точки зрения мирового

здравоохранения. И в свете этой ситуации ориентация Когда в начале ХХ в. Ф. д’Эрелль предложил ви-

на «зеленое растениеводство», направленное на макси- русную теорию инфекционного лизиса бактерий,

мальное сохранение урожайности и разнообразия рас- то по мере осознания и принятия этой теории у исследо-

тительных культур при минимальном использовании вателей во всем мире рос энтузиазм по поводу перспек-

ксенобиотиков, становится не столько модой, сколько тив применения бактериофагов. Ведь это было время

рациональным ответом на существующие вызовы. до открытия и массового применения антибиотиков,

ставших позднее «золотым стандартом» лечения бак-

териальных инфекций. В 1920—1930-х гг. эффективных

методов контроля заболеваний, вызванных бактериями,

практически не существовало, и немудрено, что фаги

76 Зеленое земледелие – это вовсе не граничащие с идио- сразу начали тестировать как терапевтические агенты
тизмом концепции типа «пусть наши овощи корявень- для лечения практически всех известных заболеваний

кие и со средневековой урожайностью, зато на навозе микробиологической природы.
Самые ранние задокументированные эксперимен-
выращенные, и все червячки руками удалены». Это гар-
моничное сочетание современных достижений сельско- ты по контролю и лечению бактериальных болезней
хозяйственной науки: новых устойчивых и урожайных растений были проведены в Университете штата
сортов, современной механизированной агротехники, Мичиган (США). В 1924 г. У. Молман и К. Хемстрит
рассчитанного применения комбинаций органических и показали, что фильтрат из тканей капусты, поражен-
неорганических удобрений, мониторинга урожайности ной Xanthomonas campestris, способен подавлять рост
и заболеваемости, технологичного хранения и перера- патогена в лабораторных условиях. На следующий год
ботки урожая. В комплекс таких мер входит и научно Д. Котила и Д. Кунс показали, что фаги, специфические
против возбудителя черной ножки картофеля, можно

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ НАУКА из первых рук

Возбудитель сосудистого бактериоза Xanthomonas campestris pv. campestris развивается
на всех крестоцветных культурах, включая турнепс (слева), но наибольший ущерб наносит
цветной и белокочанной капусте (справа)

выделить непосредственно из почвы. При нанесении при тогдашнем тотальном доминировании антибиоти- 77
на клубни картофеля и корнеплоды моркови одно- ков для лечения бактериальных инфекций в медицине,
временно бактериофага и возбудителя этой болезни – ветеринарии и растениеводстве.
бактерию Erwinia carotovora (современное название
Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum), гниение В основном такие эксперименты предпринимались
происходило только в тех пробах, где отсутствовал фаг. в Японии – стране, не участвовавшей в первом этапе
исследования фагов. И хотя в научной печати того
В 1934 г. английский исследователь Р. Месси дал времени встречается ряд успешных докладов о приме-
объяснение интригующему факту, что частота и ин- нении фаготерапии, в том числе и в сельском хозяйстве,
тенсивность болезни хлопчатника – так называемого попытки обобщить эти данные и выработать общую
«бактериального ожога», вызываемой бактерией концепцию развития не увенчались успехом. Некото-
Xanthomonas malvacearum, была меньше на землях, рые исследователи, более того, задавались вопросом:
которые затоплялись водами Нила. Он предположил, как вообще могли быть получены воспроизводимые
что основной причиной ограничения интенсивности положительные результаты? В условиях повсеместного
болезни являются фаги, приносимые речными водами, внедрения в сельском хозяйстве антибиотиков и дру-
и на следующий год доказал свою гипотезу, обнаружив гих химических агентов (например, соединений меди)
фаги в почве только затопляемых участков. использование фагов для лечения болезней растений
казалось излишне сложным и малоперспективным.
Несмотря на эти результаты, ранние работы дали
немного для понимания того, как действуют бактери- С тех пор, несмотря на рост информации о строе-
офаги в природных условиях, а на каждую успешную нии, генетике и механизмах действия бактериофагов,
попытку фаготерапии приходилось множество неу- интерес к ним в контексте их применения для лечения
дачных. На тот момент сведений о том, как выделять, бактериозов растений остается на постоянном, относи-
характеризовать, культивировать и применять бакте- тельно невысоком уровне. Ежегодно в микробиологи-
риофаги в медицине и в сельском хозяйстве было явно ческих и сельскохозяйственных журналах публикуется
недостаточно. несколько работ об успешных случаях фаготерапии
того или иного сочетания «растение-патоген», предла-
Новый виток интереса к бактериофагам, произошед- гается состав фагового препарата, который иногда даже
ший в 1960—1970-х гг., был вызван удобством мани- патентуется и производится промышленно (например,
пуляций с этими микроскопическими организмами. «Мультифаг» в Белоруссии и «Пентафаг-С» на Укра-
На примере бактериофагов были открыты и описаны ине). Однако резонанс таких публикаций и коммер-
многие фундаментальные процессы, составляющие ческий успех препаратов невелики, так как до сих пор
ныне классику молекулярной биологии. Однако при- нет ответов на многие логичные вопросы, задаваемые
кладному применению фагов внимания в то время скептиками.
уделялось значительно меньше, что и неудивительно

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

Всеми любимый картофель подвержен целому ряду
бактериозов.
Вверху: картофель, пораженный черной ножкой,
вызванной бактерией Dickeya solani; внизу: клубни,
пораженные мягкой гнилью, вызванной бактерией
Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum

Узкий спектр инфекционного действия фагов прин-

ципиально контрастирует с широким спектром анти-

биотиков. Существует обоснованное мнение, что если

болезнетворный агент точно не определен, то фаги,

скорее всего, не сработают. Поэтому чрезвычайно

важным этапом использования фаготерапии является

высокоточная диагностика патогена (до группы штам-

Существует ряд фундаментальных ограничений, мов). Учитывая, что у растений схожие признаки бо-

вытекающих из биологии взаимодействия вируса и его лезни могут проявляться при инфицировании разными

хозяина, которые осложняют проведение фаготерапии микробиологическими агентами, а методы сельскохо-

и служат основой для критики разной степени обосно- зяйственной диагностики значительно менее развиты

ванности. по сравнению с медицинской, это требование зачастую

78 Важнейшее ограничение бактериофагов – их высокая считается критическим ограничением.
инфекционная специализация по отношению к бакте- Следующее ограничение – быстрая приспосабли-

риям-хозяевам. Каждый вид (клон, раса) бактериофагов ваемость бактериальных патогенов. Оппоненты фа-

инфицирует достаточно узкую группу штаммов внутри готерапевтических приложений всегда упоминают

таксономического вида бактерий в зависимости от мо- возможность того, что бактерия мутирует и станет

лекулы-рецептора на поверхности бактерии, к которой устойчивой к индивидуальным фагам. Действительно,

вирус присоединяется, адаптации к циклу обмена в классических экспериментах С. Луриа и М. Дель-

веществ бактерии-хозяина и ряда других факторов. брюка показано, что вероятность мутации, обуслов-

Фаги, способные паразитировать на бактериях разных ливающей устойчивость к фагу, составляет около 10–9.

видов или родов, встречаются крайне редко, причем То есть в любой крупной бактериальной популяции

бактерии, инфицируемые такими фагами, обычно через короткое время обязательно появится мутант,

близкородственны. который не будет инфицироваться этим бактериофа-

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ НАУКА из первых рук

гом. Поэтому использование бактериофагов в большой высоких и низких показателях кислотности среды, 79
экологической системе способно только затормозить а также под действием солнечной радиации, недоста-
развитие заболевания, но не остановить его полностью. точной или избыточной влажности. Таким образом,
условия, естественные для филлосферы, оказываются
Еще один фактор, который надо учитывать, – слож- губительными для фагов, и в течение короткого времени
ность микробных сообществ. Помимо уже упомянутой популяция бактериофага на обработанном растении
возможности бактерий, различных по происхождению, резко уменьшается. При внесении бактериофагов
вызывать заболевания со сходными симптомами, в почву срок их циркуляции увеличивается, достигая
существует вероятность, что в инфекции участвует нескольких дней, а небольшие размеры позволяют им
сразу несколько штаммовых групп одного или близких вместе с потоком жидкости непосредственно проникать
патогенов. Многие фитопатогены не изучены современ- в сосудистую систему растений.
ными методами, и случаются ситуации, когда бактерии
с одинаковым комплексом морфологических и био- Но если фаг не найдет целевую бактерию, чтобы раз-
химических свойств генетически достаточно сильно множиться, то срок его «жизни» в коллоидном растворе
отличаются. будет ограничен. И хотя частицы бактериофагов полно-
стью биоразложимы и не накапливаются в окружающей
Например, вызывающая бактериальную пятнистость среде, как потерявшие активность антибиотики и хими-
томатов и перца бактерия Xanthomonas campestris pv ческие средства защиты, короткий срок существования
Vesicatoria, ранее считавшаяся отдельным видом, пред- (персистенции) фага на поверхности растения и почве
ставляет собой смесь по крайней мере четырех разных в естественных условиях является важным фактором,
видов, каждый из которых вносит свой вклад в развитие практически исключающим возможность их профилак-
и проявление симптомов заболевания. В силу высокой тического применения.
специализации бактериофагов их применение против
таких не охарактеризованных микроорганизмов с вы- Перечисленные сложности, несомненно, объективны.
сокой вероятностью может закончиться неудачей. Но настолько ли они непреодолимы, как представляют
противники этого метода? Как правило, для каждой
Принято считать, что для успешной фаготерапии из этих высказанных проблем имеются свои пути
концентрация фага должна быть высокой. Действи- решения.
тельно, для эффективного контроля фаги должны при-
сутствовать в количестве, превышающем некий порог Для преодоления узости инфекционного спектра
по отношению к целевой бактерии (множественность фагов применяется предварительный скрининг, при
инфекции). В большинстве публикаций фигурируют котором проводится селекция фагов с более широким
цифры 106–108 частиц/мл в зависимости от плотности диапазоном действия или подбирается композиция
популяции бактерий. При концентрации ниже этих нескольких фагов, покрывающая наиболее вероятный
величин терапевтическое действие будет незначитель- диапазон патогена или комплекса патогенов. Такой
ным. Однако производство препаратов бактериофагов подход используется при компоновке медицинских фа-
с высокой концентрацией для опрыскивания полей говых препаратов – и тех, которые выпускаются много
будет, скорее всего, экономически неоправданным. лет в России и Грузии, и тех, которые начали создавать-
ся недавно в ряде стран мира. Иногда в стремлении
Кроме того, независимо от соотношения концен- охватить максимальное число возможных бактерий
траций фага и бактерии, для успешного применения в препараты включают 30—40 разных бактериофагов.
фаговых препаратов необходимо, чтобы целевой
микроорганизм был физически доступен для фага. Впрочем, такое решение имеет и обратную сторону:
В экологической микробиологии имеется термин при наличии в одном препарате большого числа разных
«пространственное убежище», под которым подразу- фагов в высокой концентрации возможно их взаимо-
мевается первоочередной способ, с помощью которого действие между собой – агрегация, неспецифическая
микроорганизм скрывается от сторонней атаки. Попу- адсорбция, неспецифическая рекомбинация. По мне-
ляции бактерий на поверхности растений (филлосфе- нию многих исследователей, занимающихся созданием
ре) и в слое почвы, прилегающем к корневой системе фаговых композиций, оптимальное число различных
(ризосфере), весьма неоднородны по своей плотности, бактериофагов в препарате составляет 5—10 штаммов.
а также способны физически перемещаться. Вирусы же
не могут передвигаться самостоятельно, поэтому даже Сочетание в одном препарате нескольких фагов,
при высокой концентрации бактериофагов в препарате поражающих один и тот же патоген, – важный шаг в на-
их проникновение внутрь тканей растения очень про- правлении преодоления бактериальной устойчивости
блематично. к бактериофагам. Механизмы возникновения подобной
устойчивости у бактерий достаточно неплохо изучены,
Отдельно нужно отметить уязвимость фаговых ча-
стиц. Полевые и лабораторные исследования показали,
что вирусы инактивируются при высоких температурах,

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

так что можно даже проводить искусственную селекцию

фагов против бактерий, возникших в результате наибо-

лее вероятных мутаций.

Например, для бактерии наиболее быстрое и эф-

фективное защитное решение состоит в «потере» или В печати встречаются публикации о применении

изменении рецептора, к которому присоединяется в растениеводстве «фаголизинов» – фаговых

бактериофаг. Рецепторами могут служить различные белков-ферментов, разрушающих бактериальные

молекулы на поверхности бактерий: белки пилей (поло- клетки. Но эти результаты выглядят скорее как ку-

вых ворсинок) и транспортных каналов, поверхностные рьез, так как здесь бесспорным ограничивающим

полисахариды и пептидогликаны. Исключение этих фактором служит довольно высокая стоимость

молекул из обмена веществ бактериальной клетки часто рекомбинантных белков и необходимость в то-

оказывает сильное влияние на ее жизнеспособность: чечном нанесении подобных препаратов. И даже

многократно отмечено, что фагоустойчивый мутант когда эффективность того или иного ферментного

патогенной бактерии менее агрессивен, и микроорга- препарата доказана на нескольких экземплярах

низму-хозяину, в свою очередь, легче с ним справиться. комнатных растений, трудно представить себе
Если же препарат будет содержать несколько фагов, человека, гуляющего с кисточкой по бескрайнему
использующих разные рецепторы, то, во-первых, веро- картофельному или кукурузному полю в поисках
ятность возникновения мутанта, устойчивого ко всем мест поражения бактериальными патогенами
фагам, снижается; во-вторых, образовавшийся мутант

будет еще менее болезнетворным.

При всем колоссальном разнообразии микроорганиз-

мов в природе в качестве значимых патогенов растений

выступает большое, но все же ограниченное число бак- предложено несколько остроумных решений. Довольно

терий и их штаммов. Для большинства из них уже раз- известным методом биологического контроля в расте-

работана или принципиально возможна современная ниеводстве и средством биоремедиации почвы служит

молекулярная диагностика (ПЦР и иммунохимически- применение непатогенных бактерий, как правило, родов

ми методами). Несмотря на более высокую стоимость, Bacillus, Agrobacterium, Rhizobacterium и Pseudomonas.

такая диагностика точнее и быстрее по сравнению При внесении в почву они служат антагонистами па-

с традиционными микробиологическими методами. тогенных микроорганизмов, препятствуя их размно-

Поэтому организация регулярного микробиологиче- жению и переносу инфекции на растения. Этот подход

ского мониторинга или оборудование собственной также имеет ряд фундаментальных ограничений, но до-

диагностической лаборатории — оправданное решение статочно успешно применяется в сельском хозяйстве.

для крупных сельскохозяйственных предприятий. По мере накопления знаний о биологии бактериофа-

Подбор панели бактериофагов, способных инфици- гов выяснилось, что некоторые из этих бактерий могут

ровать фитопатогены, которые наиболее часто встре- быть промежуточным хозяином для фагов, активных

чаются на определенных культурах в определенной в отношении их близких патогенных «родственников».

местности, – задача большая, но не бесконечная. В по- Литическая активность таких фагов существенно ниже,

следние годы появился термин «персонализированная но зато их концентрация в ризосфере при одновре-

медицина», в том числе подразумевающая персонали- менном внесении с бактериями-антагонистами будет

зированный подбор лекарственных средств с учетом дольше поддерживаться на постоянном уровне, чем при

возбудителя заболевания и состояния пациента. внесении одних только фагов.

В растениеводстве диагностика и обработка каждо- Например, некоторые штаммы бактерии Pantoea

80 го растения практически невозможны. Однако если agglomerans, служащие антагонистом патогенной для
речь идет об обработке больших площадей на одной плодовых деревьев Erwinia amylovora, могут быть проме-

территории, засеянных одной культурой, с единым жуточным резервуаром фагов, высоко инфекционных

источником посевного материала, то в таких масштабах по отношению к этой бактерии. Эффект применения

проведение диагностического мониторинга, подбор такого комбинированного препарата был сравним

и производство фагового препарата, адаптированного с действием стрептомицина (Balogh et al., 2010). В дру-

именно под этот патоген, – вполне реалистичные дей- гой работе описано успешное применение в почве

ствия, укладывающиеся в концепцию «наукоемкого неагрессивного штамма Ralstonia как промежуточного

сельского хозяйства». носителя фага против патогена пасленовых культур

Для поддержания необходимой концентрации R. solanacearum (Fujiwara et al., 2011). Дальнейшим

фаготерапевтических агентов и увеличения времени развитием этого подхода может быть селекция фагов,

действия фагового препарата в последние годы было

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ НАУКА из первых рук

способных размножаться с низкой эффективностью стоянного состава, с применением капельного полива 81
на бактериях, входящих в нормальную флору почвы. и гидропоники. В этих случаях применение фаговых
препаратов против своевременно и точно диагности-
Для упрощения и удешевления использования как руемых патогенных бактерий, вызывающих болезни
бактериофаги, так и бактерии-антагонисты обычно растений, полностью оправдано и может применяться
применяются в виде культуральных растворов. Одна- с высоким шансом на успех.
ко при таком подходе достаточно сложно обеспечить
необходимую концентрацию и жизнеспособность дей- Резюмируя все вышесказанное, можно утверждать,
ствующих агентов при хранении препарата. что для успешного внедрения бактериофагов с це-
лью контроля и лечения бактериальных заболеваний
В последнее время разработаны технологически в промышленное растениеводство принципиальных
и экономически эффективные методы заключения препятствий нет. Необходимо предпринять ряд шагов
популяций бактерий и бактериофагов в полимерные скорее технологического и методологического плана,
капсулы, что стабилизирует биопрепарат и обеспе- чтобы этот перспективный подход стал неотъемлемой
чивает его постепенное высвобождение в ризосферу. частью «зеленых агротехнологий».
Обработка посевного материала такими инкапсулиро-
ванными препаратами обеспечит защиту от патогенов Литература
на ранних стадиях развития растения. Balogh B., Jones J. B., Iriarte F. B. et al. Phage therapy for plant
disease control // Cur. Pharmac. Biotechnol. 2010. V. 11(1).
Для внедрения фагоконтроля заболеваний расте- P. 48—57.
ний в современное сельскохозяйственное про- Fujiwara A. et al. Biocontrol of Ralstonia solanacearum by
изводство очень важно иметь четкое понимание, treatment with lytic bacteriophages // App. and Envir. Microbiol.
в каких агротехнических ситуациях применение 2011. V. 77. P. 4155—4162.
бактериофагов может быть наиболее эффективным. Gill J. J., Hyman, P. Phage choice, isolation, and preparation
Наибольший успех фаготерапии однозначно достига- for phage therapy // Cur. Pharmac. Biotechnol. 2010. V. 11(1).
ется в замкнутых биологических системах с контро- P. 2—14.
лируемыми физическими условиями. При полевом Goodridge L. D. Bacteriophage biocontrol of plant pathogens:
земледелии таких идеализированных условий добиться Fact or fiction? // Trends in Biotechnol. 2004. V. 22(8).
почти невозможно, что не исключает успешного при- P. 384—385.
менения фагопрепаратов и в этом случае. Jones J. B., et al. Bacteriophages for plant disease control //
Ann. Rev. of Phytopathol. 2007. V. 45. P. 245—262.
Однако и для товарного производства, и, в осо-
бенности, для производства семенного материала В публикации использованы фотографии А. Н. Игнатова
наибольшую значимость в наши дни приобретает (Всероссийский научно-исследовательский институт
растениеводство в условиях теплиц на субстрате по- фитопатологии, Московская обл.) и рисунки Жени Власова

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/fagi-na-gryadkakh/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии В. Н. АФОНЮШКИН, М. Л. ФИЛИПЕНКО, Ю. Н. КОЗЛОВА

НАНОайболиты

БАКТЕРИОФАГИ КАК АЛЬТЕРНАТИВА
АНТИБИОТИКАМ В ВЕТЕРИНАРИИ

Среди болезней сельскохозяйственных Ключевые слова: сальмонеллы,
животных на первом месте стоят инфекционные куры, бактериофаги, антибиотики,
заболевания, которые приносят существенный эффлюкс, антибиотикоустойчивость,
экономический ущерб из-за гибели животных инфекционная безопасность.
и потери продуктивности, а также немалых Key words: salmonella, chicken,
затрат на организацию мер профилактики bacteriophages, antibiotics, efflux, drug
и борьбы. Особое значение имеют инфекции, resistence, infectious safety
которым наряду с животными подвержен
и человек: сибирская язва, бешенство, бруцеллез,
лептоспироз, сальмонеллез и т. д.

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ НАУКА из первых рук

Одной из ключевых, наиболее активно развиваю- пенициллина в 1928 г. основным средством борьбы
щихся отраслей сельского хозяйства во многих с бактериальными инфекциями стали антибиотики.
странах мира сегодня является птицеводство. Однако несмотря на постоянное появление на рынке
Ежегодно производится около 300 млн т мяса, все новых препаратов, появление мультирезистент-
для чего выращивается более 500 млрд бройлеров. ных форм бактерий, устойчивых практически ко всем
И примерно 5% этой птицы погибает, т.е. каждую секун- антибиотикам, стало серьезной проблемой не только
ду от различных болезней умирает более 800 цыплят! в здравоохранении, но и в ветеринарии.
Одной из основных причин смертности сельскохо-
зяйственной птицы служат болезнетворные бактерии, Применение антибиотиков в животноводстве и пти-
в том числе опасные для человека. Для нашей страны цеводстве постоянно подвергается критике, так как,
наиболее актуальны такие патогены, как листерии, с одной стороны, они могут попадать в продукты пита-
иерсинии, сальмонеллы, кампилобактерии и некоторые ния человека, с другой — стимулировать возникновение
штаммы кишечной палочки. новых лекарственно-устойчивых возбудителей инфек-
ций. К тому же использование антибиотиков в сельском
Нужно заметить, что с проблемой инфекционных хозяйстве не всегда является обоснованным, а порой
болезней рано или поздно сталкивается любое живот- даже вредит. К примеру, при заболеваниях свиней при-
новодческое предприятие, вне зависимости от того, менение антибиотиков часто является «палкой о двух
на чем оно специализируется, будь то крупный или концах». Так, при клостридиозе бактерия, защищаясь
мелкий рогатый скот, свиньи, пушные животные и т. д. от антибиотика, иногда может образовывать споры
Обеспечение здоровья животных и безопасности про- и вырабатывать токсины, вызывая токсикоинфекцию
дуктов питания требует активного противодействия и повреждая слизистую кишечника. А в случае репро-
патогенным микроорганизмам. С момента открытия дуктивно-респираторного синдрома антибиотики часто

АФОНЮШКИН Василий Николаевич – ФИЛИПЕНКО Максим Леонидович – КОЗЛОВА Юлия Николаевна –
кандидат биологических наук,
ветеринарный врач, ведущий инженер кандидат биологических наук, ведущий кандидат биологических наук,
лаборатории фармакогеномики
Института химической биологии научный сотрудник и заведующий младший научный сотрудник
и фундаментальной медицины СО РАН
(Новосибирск), заведующий сектором группой фармакогеномики лаборатории молекулярной 83
молекулярной биологии Сибирского
федерального научного центра Института химической биологии микробиологии Института химической
агробиотехнологий РАН.
Автор и соавтор 84 научных работ и фундаментальной медицины биологии и фундаментальной
и 13 патентов
СО РАН (Новосибирск). Лауреат медицины СО РАН (Новосибирск).

премии им. А.А. Баева по программе Автор и соавтор 8 научных работ

«Исследования и разработки и 5 патентов

по приоритетным направлениям

развития науки и техники

гражданского значения» (2000),

премии «Призвание» (2015). Автор

и соавтор свыше 360 научных работ

и 15 патентов

© В. Н. Афонюшкин, М. Л. Филипенко, Ю. Н. Козлова

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

TolC Внешняя мембрана За последнее десятилетие все
чаще обнаруживаются штаммы
Периплазма AcrA сальмонелл и кишечной палочки,
H+ обладающие устойчивостью к ши-
AcrA рокому спектру антибиотиков. Такое
Внутренняя мембрана свойство у этих микроорганизмов
AcrB нередко обеспечивается за счет
эффлюкса – активного выведения
Токсин токсинов из бактериальной клетки,
осуществляемого транспортными
Цитоплазма бактерии (насосными) системами белковой
природы (Hernando-Amado et al.,
2016). Эффлюкс веществ запуска-
ется с использованием сложной
системы регуляции в ответ на такие
воздействия, как оксидативный
стресс или обработка некоторыми
катионными дезинфектантами,
которые широко используются при
отказе птицефабрик от антибиоти-
ков. В результате за счет эффлюкса
бактерии становятся резистентными
к гентамицину, хлорамфениколу,
флорфениколу и другим антибиоти-
кам, не давая им связаться с мише-
нью внутри клетки

Бактериальная эффлюкс-помпа представляет собой канал,

соединяющий цитоплазму клетки с внешней средой, по которому

выводятся токсины, несущие положительный заряд.

Канал сформирован белками AcrA и TolC, а энергозависимый процесс Пионерами в использовании
выведения из цитоплазмы и периплазмы токсичных соединений фагов для лечения животных мож-
осуществляет белок AcrB. но считать английских ученых
По: (Klaas, 2009) У. Смита и его коллег из Института

исследования заболеваний живот-

ных (Smith et al., 1987). В своих

усугубляют течение этой вирусной инфекции, провоцируя воспаление исследованиях на лабораторных
мышах, экспериментально зара-
84 в легких. женных кишечной палочкой, они
Но если мы ограничим применение антибиотиков для животных,
не приведет ли это к росту заражения людей патогенными бактериями обнаружили, что даже единичное
и, соответственно, росту потребления антибиотиков уже в человеческой введение препарата бактериофага
популяции? Кроме того, сегодня известны механизмы, которые могут значительно уменьшало количе-
ство жизнеспособных клеток E. coli
приводить к появлению у бактерий антибиотикорезистентности даже при в пищеварительном тракте. Позже
отсутствии контакта с этими препаратами. они повторили этот опыт на теля-

Сложная ситуация подогревает интерес к поиску новых терапевтических
средств, которые могут заменить или дополнить антибиотики в борьбе тах, ягнятах и морских свинках,
с инфекционными заболеваниями. Поиски альтернативных путей лечения зараженных вирулентным штаммом
бактериальных инфекций сразу выдвинули на первое место фаготерапию кишечной палочки, вызывающим
диарею. И в этих случаях фаготера-
и фагопрофилактику (Акимкин и др., 2010).

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ НАУКА из первых рук

Этот цыпленок, пораженный метапневмовирусом, Здоровая слизистая
вызывающим тяжелую респираторную инфекцию, а
б
имеет большой шанс погибнуть при заражении
некоторыми бактериями, так как антибиотики в этом

случае оказываются малоэффективными.
Фото В. Афонюшкина

пия снижала численность бактерий в желудочно-кишечном тракте, а также
смягчала такие связанные с инфекцией симптомы, как обезвоживание.
В результате практически все инфицированные животные выжили.

Применение препаратов бактериофагов в условиях крупных агро-
комплексов имеет свои особенности, благоприятствующие подобной
терапии. Системы обеспечения биологической безопасности на больших
сельскохозяйственных предприятиях достаточно эффективно ограничи-
вают разнообразие инфекций и, соответственно, число видов патогенных
микроорганизмов там намного меньше, чем в человеческой популяции.
По этой причине инфекции на таких предприятиях высоко воспроизводи-
мы, и диагноз, поставленный в одном птичнике, можно экстраполировать
на другие. Но при этом надо помнить, что бактерии могут защититься
от фагов. Так, эксперименты на бактериальных монокультурах показали,
что в результате применения фагов уже через несколько часов возникают
бактериальные клетки, устойчивые к их действию. Кроме того, в отличие
от антибиотиков с их относительно широким спектром действия, не су-
ществует такого «супербактериофага», который будет атаковать большое
число различных штаммов и видов микроорганизмов. Поэтому в практике
обычно используют сложные коктейли бактериофагов.

В наши дни становится технически и экономически возможным вести
поиск бактериофагов и производство соответствующего биопрепарата
для отдельно взятого предприятия. Уничтожить таким образом весь спектр
патогенных бактерий нельзя, однако против наиболее важных в санитарном
или эпидемическом плане бактерий вполне реально подобрать и применить
эффективные бактериофаги.

На сегодня уже имеется успешный опыт применения препаратов бактери-
офагов против сальмонелл и кишечной палочки на крупных птицефабриках.
Например, на одной из отечественных птицефабрик, где наблюдался ано-
мально высокий (50—70 %) уровень инфицированности цыплят-бройлеров
сальмонеллой, за несколько месяцев удалось снизить этот показатель до не-
регистрируемых значений. К тому же на крупных птицефабриках и свино-
комплексах, где имеется высокая скученность животных, распространение
бактериофагов, вакцинных штаммов вирусов и полезных, пробиотических
штаммов бактерий идет по типу эпидемического процесса, что значительно
удешевляет и повышает эффективность борьбы с инфекциями.

У кур были обнаружены дистрофические 85
и воспалительные изменения в слизистой тонкого
в
отдела кишечника, при которых использование
антибиотиков не только малоэффективно, но даже

повышает смертность особей:
а – вирусный энтерит двенадцатиперстной кишки,

осложненный бактериальной инфекцией;
б – отек слизистой двенадцатиперстной кишки на

фоне неизвестной, предположительно вирусной
инфекции; в – некроз слизистой тонкого отдела

кишечника на фоне поражения клостридиями
и эймериями. Фото В. Афонюшкина

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Биотехнологии

ДЛЯ МЕНЬШИХ БРАТЬЕВ

Домашние питомцы, такие как кошки и со-

баки, также подвержены бактериальным

инфекционным заболеваниям. При этом

они намного плотнее, чем сельскохо-

зяйственные животные, контактируют

с людьми, поэтому могут служить более

опасным источником инфекций, таких

как лептоспироз, при котором часто по-

ражаются почки и печень, или кишечный

иерсиниоз, который у человека сопрово-

ждается хроническими болями в животе,

диареей и иногда даже приводит к гибели.

Высокопатогенные формы кишечной

палочки, сальмонеллы, кампилобакте-

рии и клостридии тоже могут попасть

в организм человека от собак и кошек,

вызывая кишечные инфекции, бактери-

альный сепсис и гемолитикоуремический

синдром. Применение бактериофагов

для лечения животных в такой ситуа-

ции было бы одновременно и хорошим

средством профилактики инфекций у их В приведенном выше примере с сальмонеллой в процессе фаготера-

хозяев, причем в этом случае отсуствовал пии произошла смена серотипа бактерий, в результате чего появился

бы риск заразиться от животных антибио- новый штамм Infantis, оказавшийся устойчивым к используемому

тикоустойчивыми бактериями. бактериофагу. Этот факт наводит на мысль, что бактериофаги могут

К сожалению, в арсенале ветеринарии на выступать для бактерий как фактор межвидовой конкуренции. Ведь

сегодняшний день нет препаратов бакте- бактерии рода Salmonella встречаются в кишечнике в относительно
риофагов против таких тяжелых болезней, низкой концентрации, и можно ожидать, что между разными видами
как лептоспироз и иерсиниоз, хотя иссле- и подвидами этого рода конкуренция будет отсутствовать (Antunes
et al., 2016). Однако последовательная смена различных серотипов
дования по созданию поливалентных про- сальмонелл в популяциях кур позволяет предполагать неслучайный
тивоиерсиниозных бактериофагов ведут- характер этого явления.
ся достаточно активно. Поиск в сети, в том
числе на форумах владельцев животных, Так, в настоящее время сальмонеллы серотипов Gallinarum и Pullorum
свидетельствует, что в перечень средств практически не обнаруживаются в отличие от серотипа Enteritidis, кото-
для лечения животных ветеринары вклю- рый, в свою очередь, по частоте встречаемости намного уступает новому
чают «человеческие» фаговые препараты: серотипу Infantis. Интересно, что именно в период роста инфициро-
«бактерофаг стафилококковый» и «бакте- ванности кур сальмонеллами серотипа Infantis сотрудники Института
риофаг стрептококковый», которые ис- химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Госу-
пользуются для лечения и профилактики дарственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор»
выделили из образцов довольно много бактериофагов, активных в от-
гнойных заболеваний кожи и слизистых ношении сальмонелл серотипа Enteritidis, но с очень большим трудом
оболочек, а также других инфекций с уча-
86 стием этих бактерий; «пиобактериофаг удалось обнаружить штамм бактериофага против сальмонелл серотипа
Infantis. Конечно, этому явлению может быть найдено немало объясне-
комбинированный» («пиополифаг»), ко- ний, но и версия участия бактериофагов в вытеснении бактерий близ-
торый обладает широким спектром анти- кородственных генетических групп выглядит весьма правдоподобной.

бактериальной активности и используется В научной литературе достаточно широко освещены и явление по-

при лечении ряда гнойно-воспалительных лигостальной специфичности (способности заражать широкий спектр

заболеваний. Для специфической терапии видов бактерий) в отношении разных видов бактерий, и феномен разной

колибатериоза, вызываемого патогенны- фагорезистентности у разных штаммов внутри одного вида бактерий

ми штаммами кишечной палочки, который по отношению к одному и тому же бактериофагу. Очевидно, что штамм

приводит к гибели щенков и котят, можно бактерии, способный поддерживать существование бактериофага без

использовать «бактериофаг против пара- гибели клетки-хозяина, может получить эволюционное преимущество,

тифа и колибактериоза» так как станет причиной гибели бактерий-конкурентов, чувствительных

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ НАУКА из первых рук

90

70

Уровень инфицированности, % 50

Антибиотик
30

Бактериофаг

10 Октябрь Ноябрь
Сентябрь

Эксперименты по применению препарата бактериофага на российской
птицефабрике *, проведенные специалистами СФНЦА РАН, показали, что
фаготерапия в целом способствовала уменьшению уровня инфицированности
птицы сальмонеллами. Относительно низкий уровень инфицированности
наблюдался еще некоторое время спустя после прекращения применения фагового
препарата за счет спонтанной циркуляции бактериофага на птицефабрике.
В дальнейшем уровень сальмонеллоносительства возрос до исходных значений
несмотря на использование антибиотика ципрофлоксацин.
*Каждая точка графика соответствует отдельному птичнику с поголовьем
40 тыс. цыплят-бройлеров в возрасте 41 день

к бактериофагу. Этот пример показывает, как много раз- Литература 87
личных биологических идей можно извлечь, наблюдая Андреева И. С., Соловьянова Н. А., Афонюшкин В. Н.
взаимоотношения бактерий с бактериофагами. Кроме и др. Перспективы фаготерапии сальмонеллезов птицы
того, изучая спонтанное распространение бактерио- в сельскохозяйственном производстве // Современное об-
фагов по птицефабрикам и свинофермам, мы можем щество, образование и наука: Сб. науч. тр. по материалам
совершенно безопасно моделировать эпидемии. Международной научно-практической конференции. 2013.
С. 10—13.
Безусловно, в ближайшем будущем бактериофаги Акимкин В. Г., Дарбеева О. С., Колков В. Ф. Бактериофаги:
не смогут заменить антибиотики. Но в ситуациях, исторические и современные аспекты их применения: опыт
когда антибиотики уже не помогают, а также, ког- и клинические перспективы // Клиническая практика. 2010.
да нужно снять риск возникновения антибиотико- Т. 4. С. 48—54.
устойчивых штаммов бактерий, бактериофаги должны Antunes P., Mourão J., Campos J., Peixe L. Salmonellosis:
занять свое законное место. the role of poultry meat // Clin. Microbiol Infect. 2016. V. 22.
P. 110—121.
В ветеринарии использование бактериофагов на- Klaas M. Pos, Trinity revealed: Stoichiometric complex
много перспективнее, чем в медицине. Ведь новые assembly of a bacterial multidrug efflux pump // PNAS. V. 106.
ветеринарные лекарства быстрее выводятся на рынок, N. 17. P. 6893—6894, doi: 10.1073/pnas.0902837106
чем лекарства для человека. К тому же в крупных жи- Smith, H.W., Huggins, M.B., Shaw, K.M. Factors influencing
вотноводческих хозяйствах специалисты сталкиваются the survival and multiplication of bacteriophages in calves
с меньшим разнообразием инфекций при диагностике, and in their environment // J. Gen. Microbiol. 1987. V. 133.
чем у людей, что упрощает этап формирования коллек- P. 1127—1135.
ций бактерий и подбора бактериальных вирусов.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/nano-aybolity/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Экология Федор Конюхов

CO
2

Дыхание

Дыхание

Фотосинтез Дыхание

Фитопланктон Потребители планктона Бактериопланктон

Продукция
фагов
Лизис
клеток
Продукция
вирусов

Остатки планктона РАСТВОРЕННОЕ Продукция
Продукция ОРГАНИЧЕСКОЕ бактерий

ВЕЩЕСТВО

Вириопланктон

Лизис клеток Лизис клеток

Продукция вирусов Продукция фагов

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ НАУКА из первых рук

Е. В. ЛИХОШВАЙ

В каждой капле воды – ВИРУСЫ!

Везде, где есть жизнь, есть вирусы. Водная среда, занимающая

бóльшую часть нашей планеты, в которой сосуществует огромное

число различных организмов, создает прекрасные условия
и для жизни вирусов. В водных экосистемах вирусы атакуют все живые
организмы – от бактерий до китов. Оставим за рамками рассмотрения
вирусы крупных организмов и останемся в микромире – в мире
микроскопических организмов, которые являются основой пищевых
цепей и, как выясняется, многих глобальных процессов

Первая информация о количестве вирусных частиц в водных экоси- ЛИХОШВАЙ Елена Валентиновна –
стемах, потрясшая исследователей, была получена в 1989 г. (Bergh доктор биологических наук,
et al., 1989). Материал из проб морской воды был осажден центри- профессор, заведующая
фугированием прямо на сеточки с пленкой-подложкой и исследован отделом ультраструктуры клетки
в трансмиссионном (просвечивающем) электронном микроскопе. В одном Лимнологического института СО РАН
миллилитре оказалось до 2,5 × 108 вирусных частиц, представленных в ос- (Иркутск). Автор и соавтор свыше
новном фагами с характерной морфологией (капсид-отросток, или голо- 170 научных работ и монографий
ва-хвост), что в 103—107 раз превышало концентрацию фагов, определенную
путем традиционного высева проб на бактериальный газон (метод бляшек).
Разница на порядки объясняется тем, что не все бактерии культивируются,
и не все вирусы-фаги инфицируют именно бактерии.

Дальнейшие работы дали ошеломляющие результаты. Оказалось, что
вирусы – самые многочисленные «организмы» океанов. Если поставить
все 1030 вирусных частиц, обитающих в Мировом океане, в цепочку, то она
растянется на 60 галактик(!) (Suttle, 2007). Они содержат около 200 мега-
тонн углерода (Suttle, 2013).

Ясно, что такой объект водных экосистем нельзя оставлять без внимания.
И это не «просто биомасса».

В следующем после открытия водных вирусов году появились резуль- 89
таты исследований, проведенных во время весеннего развития водорослей
и питающихся бактериями флагеллят (Bratbak et al., 1990). Оказалось, что Ключевые слова: водные экосистемы,
концентрация вирусных частиц во время весеннего цветения меняется, до- вириопланктон, бактериофаги,
стигая максимума в конце развития диатомей, когда в слизи отмерших или цианофаги, вирусы архей, три домена
прекративших деление клеток наблюдается самое большое число бактерий жизни.
Key words: aquatic ecosystems,
На современной схеме глобального круговорота органического virioplankton, bacteriophages,
вещества и биогенных элементов в водных экосистемах важное cyanophages, archaeal viruses,
место занимает «вириопланктон», под которым подразумевается вся three domains of life
совокупность вирусов одноклеточных водных организмов, включая
бактериофаги – вирусы бактерий, цианофаги – вирусы цианобактерий, © Е. В. Лихошвай, 2016
вирусы архей, альговирусы, поражающие эукариотические
одноклеточные водоросли, вирусы протозоа, поражающие простейших,
таких как амебы и жгутиковые и вириофаги (вирусы вирусов). Как видно
из схемы, вириопланктон влияет сразу на многие биогеохимические
и экологические процессы в различных звеньях экосистемы.
По: (Wommack &Colwell, 2000)

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Экология

Вирусы (от лат. virus – «яд») формируют отдельный
домен наряду с тремя другими «клеточными» доме-
нами – бактериями, археями и эукариотами. В нем
7 порядков, включающих 29 семейств, и дополни-
тельно 82 семейства, не отнесенных к каким-ли-
бо порядкам, и этот список пополняется (http://
ictvonline.org/virusTaxonomy.asp). Не будем спорить,
живые они или не живые, просто они живут в особой
окружающей среде – в живой клетке. Так же как
рыба не может жить без воды, вирусы не могут жить
без клетки. Но рыба без воды погибает, а вирусам
клетка нужна только для размножения, вне клетки
они могут сохраняться как угодно долго, то есть,
вирусы даже более жизнеспособны, чем другие
организмы!

и вирусов. Эти наблюдения позволили авторам сде-
лать предположение, что вирусы являются актив-
ными участниками микробиальной пищевой сети
в качестве агентов, приводящих к лизису бактерий,
тем самым, выводя часть бактериальной продукции
из пищевой цепи «хищник-жертва», в данном слу-
чае – «флагелляты–бактерии».

Определение роли бактериофагов в водных
экосистемах привело к существенному пере-
смотру представления о глобальном круговороте
биогенных элементов. Раньше считалось, что гете-
ротрофные бактерии делают свое «гетеротрофное
дело», расщепляя остатки органических веществ
отмерших организмов и вращая по бактериальной
петле циклы азота, углерода и других биогенных
элементов. Введение в систему бактериофагов, ак-
тивно и массово лизирующих бактерии, изменило
эту схему.

Во-первых, удаление из экосистемы части бак-
терий, уничтоженной фагами, уменьшает интен-
сивность перевода нерастворимого (взвешенного
в водной толще и осаждающегося на дно) био-
генного вещества (различных частиц, отмерших
организмов и др.) – в растворенное (расщепленное,
гидролизованное). Таким образом фаги нарушают

90 классическую пищевую цепь. Этот процесс был

назван вирусным шунтом (Wilheln, Suttle 1999).

Роль бактерифагов в глобальных циклах
вещества и энергии была впервые отмечена
выдающимся российским ученым академиком
В. И. Вернадским, еще в 1927 г. опубликовавшим
в журнале «Природа» свою пионерную работу
«Бактериофаг и скрорость передачи жизни
в биосфере».
По: (В. И. Вернадский, Киiв: НАН Украiни, 2011.
Том 4. Книга 1, с. 392)

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ НАУКА из первых рук

По оценкам авторов, через этот шунт может проходить Вирус морской диатомеи Chaetoceros debilis CdebDNAV – 91
до четверти первичной продукции углерода океана. сохраняет инфекционность при широком диапазоне
температур (от 20°С до -196°С) без добавления крио-
Во-вторых, разрушение бактерий приводит к высво- протекторов (Nagasaki, 2008).
бождению из них органических веществ, за увеличени-
ем концентрации которых в среде следует изменение Вирусы токсичной красной водоросли Heterosigma
сообщества других микроскопических организмов – akashiwo сохраняют литическую активность в донных
микроводорослей. Одни из них ответят на это активным отложениях (Lawrence, 2002).
ростом, «цветением», другие будут угнетены. Понима-
ние этих последствий привело к пересмотру не только Цианофаги могут сохраняться в осадках до 100 лет
схемы глобального круговорота органического веще- (Suttle, 2000).
ства и биогенных элементов, но и структурно-функцио-
нальной организации водных экосистем в целом. Было Гигантский вирус амеб Pithovirus sibericum – выделен
введено понятие вириопланктон (Wommack, Colwell, из вечной мерзлоты возрастом 30 тыс. лет (Legendre
2000). Согласно новой схеме глобального круговорота et al., 2014).
органического вещества и биогенных элементов водных
экосистем вириопланктон влияет на многие биогеохи- жарких пустынях, а также арктических и антарктиче-
мические и экологические процессы, включая цикл пи- ских условиях. Если у таких видов есть цианофаги, то
тания, дыхания и распределение веществ в различных насколько они, эти цианофаги, уникальны?
звеньях экосистемы.
В современных морских и пресноводных водоемах
В-третьих, морфологическое разнообразие бактерио- цианобактерии многочисленны и разнообразны: они
фагов в водных экосистемах велико, эта «армия» может обитают в водной толще, на дне, на водной раститель-
избирательно поражать различных хозяев, приводя ности и различных субстратах. За цианобактериями за-
к изменению их соотношения в сообществах водных крепилась «дурная слава» – их бурное цветение делает
экосистем. водоемы неприглядными, а цианотоксины, выделяемые
некоторыми видами, делают воду непригодной для пи-
Количественная мультитрофическая модель, создан- тья, а некоторые из них – смертельно опасны. Возможно
ная авторским коллективом океанологов и математиков ли получение биопрепаратов на основе цианофагов,
описывает влияние морских вирусов на микробиальные применение которых решило бы эти проблемы? На-
пищевые сети и процессы, проходящие в экосистемах. сколько хорошо изучены цианофаги?
Согласно этой модели водные экосистемы, содержащие
вирусы, будут иметь усиленный круговорот органиче- Активное изучение цианофагов началось в 60-х гг.
ского вещества, уменьшенный перенос этого вещества прошлого века. Сравнивая данные детальных наблюде-
на более высокие трофические уровни и увеличенную ний за развитием чистых альгокультур цианобактерий
валовую первичную продуктивность (Weitz et al., 2014). и других водорослей в лабораторных условиях и водо-
Авторы модели считают, что в оценках круговорота рослей в природе Роберт В. Краусс (Robert W. Krauss)
углерода и азота необходимо учитывать роль вирусов, задумался над вопросом, почему лабораторные культу-
так как они являются важной составляющей пищевых ры могут месяцами сохранять жизнеспособность при
сетей и регулируют глобальные биогеохимические низкой освещенности и скудном питании, а в природе
циклы. «цветение» водорослей быстро прекращается даже в
стабильных условиях окружающей среды? В 1960 г. на
Цианобактерии (синезеленые водоросли), хотя совещании, посвященном проблемам водоснабжения
и относятся к домену Bacteria, благодаря способности мегаполисов, он высказал предположение, что при-
к фотосинтезу играют иную нежели гетеротрофные чиной быстрого разрушения водорослей могут быть
бактерии роль в водных экосистемах. Это одни из самых «другие организмы» – фаги или сходные с ними вирусы
древних организмов. Они доминировали на ранних (Krauss, 1961).
стадиях эволюции биосферы Земли и определяли
биогеохимические циклы. Их бурное развитие вызвало Поскольку пресноводные нитчатые цианобактерии
изменение атмосферы, обогатило ее кислородом, что легко культивируются, именно из них и были выделены
сделало возможным появление других организмов и на- первые цианофаги – вирусные частицы в форме ико-
правило эволюцию биосферы нашей планеты. Можно саэдра без хвоста диаметром 66 нм, о чем последовало
предположить, что цианофагов тогда еще не было. короткое сообщение в Science (Safferman, Morris, 1963).
Ими были инфицированы нитчатые цианобактерии
И сегодня среди цианобактерий есть экстремофилы – Lyngbya, Plectonema и Phormidium. За последующие
виды, прекрасно существующие в горячих источниках, десять лет были выявлены фаги у других цианобак-
терий, в том числе пикопланктоных (Synechococcus,
Microcystis) и нитчатых, формирующих гетероцисты

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Экология

(Anabena, Nostoc). Пробы для ис-

следования были получены, в ос-

новном, из сточных вод и очистных

сооружений.

Морские цианофаги были впер-

вые выделены только в 1981 г.

(Moisa et al., 1981), они инфици-

ровали нитчатые и одиночные

цианобактерии в Черном море.

Сообщение об этом оставалось

без внимания почти десять лет –

до тех пор, пока не вышла работа,

в которой было показано, что зна-

чительная часть цианобактерий Зона на теле губки, пораженная цианобактериями
(вверху). Фото И. Ханаева (ЛИН СО РАН)
92 в морях инфицирована вирусами На электронных микрофотографиях представлены
(Proctor, Fuhrman, 1990). В даль- примеры «хвостатых» бактериофагов семейства
Myoviridae с сократительным хвостовым отростком
нейшем выяснилось, что инфек- (внизу). Фото: Public Library of Science journal (http://
journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.
ционные цианофаги могут быть pbio.0030144)

выделены прямо из морской воды http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ НАУКА из первых рук

и содержатся в ней в высоких кон-

центрациях.

Например, в Мексиканском зали-

ве число цианофагов, инфицирую-

щих определенные культивируемые

штаммы Synechococcus, может до-

стигать одного миллиона в одном

Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

ЗА РАЗНООБРАЗИЕМ – НА БАЙКАЛ! стали использовать трансмиссионную электронную ми-
кроскопию.
В настоящее время согласно Международной классифи- В Байкале за рекордно долгий для пресноводных водое-
кации и таксономии вирусов (ICTV) бактериофаги, в зави- мов период существования, несмотря на климатические
симости от типа нуклеиновой кислоты разделяют на ДНК- катаклизмы (а, может, и благодаря им) сформировалась
и РНК-содержащие, которые, в свою очередь, разделяются уникальная биота, с большим видовым богатством и вы-
на семейства по морфологическим признакам. соким уровнем эндемизма практически во всех группах
Исторически исследования водных бактериофагов свя- организмов. Как оказалось, из десяти известных семейств
заны со сточными водами, где обнаруживаются колифа- ДНК-содержащих бактериофагов в Байкале обитают
ги, – бактериофаги кишечной палочки. Но на самом деле морфологически разнообразные представители девяти
задача гораздо шире – обнаружить разнообразные фаги, из них (Myoviridae, Podoviridae, Siphoviridae, Fuselloviridae,
поражающие другие бактерии, а не только Escherichia Inoviridae, Microviridae, Tectiviridae, Leviviridae, Rudiviridae).
coli, или новые неизвестные фаги с возможными новыми Кроме того, обнаружено и несколько морфотипов неиз-
свойствами. Практически одновременно с введением вестного систематического положения (Дрюккер, Дутова,
понятия вириопланктона в морской среде, были начаты 2006, 2009). Таким образом, огромное биоразнообразие,
исследования бактериофагов в воде озера Байкал. Снача- характерное для флоры и фауны озера Байкал, распро-
ла были выявлены фаги, поражающие присутствующую страняется и на фаги.
в воде кишечную палочку (Дрюккер, Масленников, 1998),
а с 2002 г. для определения морфологии бактериофагов

Пикопланктонные а б
цианобактерии, в г
обитатели водной толщи:

а – флуоресцентная
микроскопия;

б – изолированные
штаммы пикопланктонных
цианобактерий
с различной окраской
вследствие разного
состава фотосинтетических
пигментов;

в – сканирующая электронная
микроскопия;

г – штамм Synechococcus
sp., инфицированный
цианофагами,
с характерными бляшками
лизиса.

Фото О. Белых (ЛИН, СО РАН)

миллилитре. На долю этих цианофагов может прихо- Археи – это прокариоты, то есть, также как и бакте- 93
диться 10 % всех обнаруженных в пробе воды вирусов, рии, – «доядерные» организмы. По названию домена
они имеют сезонную динамику, следуют за динамикой Arhaea видно, что их считают одними из древнейших
развития Synechococcus и активно атакуют хозяина, организмов на Земле. Морфологически археи сходны
когда концентрация его клеток в среде достигает макси- с бактериями, а вот генетически, как недавно подтвер-
мальных величин. Цианофаги обнаруживаются и в дон- дил анализ полных геномов представителей 92 филумов
ных осадках, где они могут сохранять инфекционность бактерий, 26 филумов архей и всех пяти супергрупп
более 100 лет, то есть осадки можно рассматривать как эукариотических организмов, археи ближе к эукарио-
важный резервуар цианофагов, который может время там (Hug et al., 2016).
от времени «обогащать» экосистему (Christon, 2000).
В гиперэкстремальных средах археи – это зачастую
Интересно, что пресноводные и морские цианофаги единственные живые организмы. Они как бы очерчива-
родственны (Wilhelm et al., 200). Морфологически ют границы биосферы, за пределами которых жизни нет.
цианофаги ничем особенно от бактериофагов не отли- Отметим, что археи встречаются и в «мягких» условиях
чаются и относятся к тем же семействам – в основном,
«хвостатым» отряда Caudovirales.

НАУКА из первых рук http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ Ноябрь • 2016 • № 4 (70)

НАУКИ О ЖИЗНИ • Экология

среды – в пищеварительном тракте людей и термитов, был описан нитевидный вирус гипертермофильной

почвах и донных осадках (Pikuta et al., 2007). археи Pyrobaculum, который имеет уникальную среди

Ферменты архей применяются в пищевой промыш- ДНК-содержащих нитевидных вирусов структуру ви-

ленности, так как могут работать при высоких темпе- риона. Его линейный геном заключен в трехслойный

ратурах, а ДНК-полимераза археи Pyrococcus furiosus панцирь, состоящий из двух белковых слоев и допол-

используется в ПЦР (полимеразной цепной реакции). нительной наружной оболочки. Вирион организован в

Сами археи являются компонентом очистных сооруже- виде суперспирали подобно вирусам Эбола и Марбург,

ний, обеспечивая анаэробное разложение сточных вод; но они являются РНК-содержащими (Rensen et al.,

используются при обогащении руд ценных металлов. 2016). (картинку мы не взяли – она слишком мелкая)

Ясно, что в промышленном производстве лизис архей

вирусами – большая неприятность. Таким образом, изучение вирусов архей дает новое
Для размножения «в неволе» археям требуются представление о «мире вирусов», выявляя глу-
бокие эволюционные взаимоотношения между
особые условия, большинство из них анаэробы, то есть вирусами, инфицирующими хозяев из всех трех
кислород для них – яд, и культивировать в лабора-

торных условиях их удается не все и не всем. По этой доменов живых организмов. Обнаруженные сведения

причине изучение вирусов архей находится в самом поддерживают гипотезу о том, что последний общий

начале. К настоящему времени выделено около 140 ви- предок клеточных организмов инфицировался боль-

русов архей – это всего несколько процентов от числа шим количеством разных вирусов (Pietila et al., 2014;

известных вирусов (фагов) прокариот. Тем не менее, Snyder et al., 2015).

уже обнаружено много фактов, обращающих на себя Каждую секунду в океане происходит 1023 вирусных

внимание (Pina et al., 2011; Prangishvili, 2013; Pietila et инфекций. Каждая инфекция имеет возможность для

al., 2014; Prangishvili et al., 2016). введения новой генетической информации в организм

Вирусы архей морфологически более разнообразны, и в вирусное потомство, способствуя таким образом

чем бактериофаги. Помимо «обычных» хвостатых эволюции как сообществ хозяина, так и вирусов (Suttle,

икосаэдров, среди вирусов архей есть сферические и 2007). И хотя важность водных вирусов уже стала

линейные; ветереновидные, бутылко- и каплевидные, очевидной, на многие вопросы наука пока ответить не

и даже уникальные, например, в форме лимона (Pietila может.

et al., 2014). При этом, большинство вирусов архей из В заключение приведу цитату из лекции одного

высокосоленых вод сходны по морфологии с бактери- известного морского биолога: «Если вам интересно,

офагами и имеют с ними общих предков. В частности, как функционирует планета, то сначала надо понять,

по данным анализа геномов, электронной криомикро- что главное – это не киты, которые, конечно, важны.

скопии и модельных реконструкций изображений, Главное – это микробная жизнь, которую мы не можем

родственны хвостатые фаги архей и бактерий (Pietila et увидеть глазами» (Suttle, 2013).

al., 2013). Другое дело – вирусы термофильных архей. Литература
Bergh Ø, Borsheim KY, Bratbak G, Heldal M. Abundance
Они имеют разнообразную и необычную морфологию,
что свидетельствует об их независимом происхождении of viruses found in aquatic environments // Nature. 1989.

(Prangishvili, 2013).
Есть мнение, что природа генома и пути его репли- V. 340. P. 467—468.
Hug L. A., Baker B. J., Anantharaman K. et al. A new view
кации в клетке хозяина не являются самыми главными
вопросами с точки зрения самого вируса (Abrescia et of the tree of life //Nature Microbiol. 2016. 11 Apr. N. 16048.
DOI 110.1038.
al., 2012). Для сохранения «генофонда» и выживания Pietilä M. K., Demina T. A., Atanasova N. S., Oksanen
в экстремальных условиях, в которых обитают их хо-
H. M., Bamford D. H. Archaeal viruses and bacteriophages:
94 зяева, вирусам нужна надежная защита. И она была comparisons and contrasts // Trends in Microbiology. 2014.

изобретена и многим вирусам пригодилась.
Структурные исследования вирусных капсидов пока- V. 2. N. 6. P. 334—344.
Prangishvili D. The wonderful world of archaeal viruses //
зали, что бесхвостые икосаэдры, инфицирующие архей,
бактерий и эукариот, имеют общего предка (Abrescia Annu. Rev. Microbiol. 2013. V. 67. P. 565–85.
Suttle C. A. Viruses in the sea // Nature. 2005. V. 437.
et al., 2012). Например, структурные сходства имеют
белки оболочки нитчатых вирусов табачной мозаики, P. 356—361.
Дрюккер В. В., Дутова Н. В. Бактериофаги как новое тро-
двух вирусов архей из рода Acidianus и вируса гепатита
B. Несмотря на низкую гомологию аминокислотных фическое звено в экосистеме глубоководного озера Байкал //
последовательностей, белки вирусов архей могут иметь Докл. РАН. 2009. Т. 427, № 2. С. 277—281.

сходные элементы третичной структуры с вирусами Автор благодарит Г. И. Филиппову (ЛИН СО РАН, Иркутск)
других доменов (Dallas et al., 2014). А совсем недавно за помощь в подготовке публикации

Ноябрь • 2016 • № 4 (70) http://scfh.ru/papers/v-kazhdoy-kaple-vody-virusy/ НАУКА из первых рук

Теперь Вы можете ОФОРМИТЬ И ОПЛАТИТЬ ПОДПИСКУ
НА ЭЛЕКТРОННУЮ ВЕРСИЮ (pdf) на сайте журнала www.scfh.ru:

http://scfh.ru/sub_re/ на русском языке
http://scfh.ru/en/sub_re/ на английском языке

ВЕСЬ АРХИВ журнала с 2004 по 2016 гг. – на сайте: http://scfh.ru/archive/ –
на русском языке, http://scfh.ru/en/archive/ – на английском языке

Cтоимость подписки на полугодие – 840 руб.
Cтоимость подписки на год – 1680 руб.

На сайте журнала «НАУКА из первых рук» www.scfh.ru вы можете:

Оформить подписку Оформить подписку
на печатную версию журнала на электронную версию журнала (PDF)

3 номера печатной версии журнала, 3 номера электронной версии журнала (PDF),
первое полугодие 2017 г. – 840 руб. первое полугодие 2017 г. – 290 руб.

3 номера печатной версии журнала, 3 номера электронной версии журнала (PDF),
второе полугодие 2017 г. – 840 руб. второе полугодие 2017 г. – 290 руб.

6 номеров печатной версии журнала, 6 номеров электронной версии журнала (PDF),
2017 г. – 1680 руб. 2017 г. – 590 руб.

В стоимость подписки включена доставка журнала Оплаченный номер электронной версии журнала
заказной бандеролью. (PDF) Вы получаете сразу после выхода очередного
номера на указанный Вами адрес электронной почты
Оригиналы бухгалтерских документов
для юридических лиц (договор, счет-фактура Купить отдельные выпуски электронной
и накладная) будут высланы Вам почтой. версии журнала «НАУКА из первых рук»
(PDF)
Купить отдельные выпуски печатной версии
журнала «НАУКА из первых рук» Получить электронный доступ

Печатные выпуски журнала доставляются к статье за 29 руб., к выпуску за 79 руб.,
по почте ко всем статьям на сайте журнала:
на 1 мес. за 99 руб., на 6 мес. за 299 руб.,
Способы оплаты на 12 мес. за 599 руб.

Электронные платежи: через систему приема При покупке электронного доступа вы получаете
платежей Робокасса (банковскими картами, возможность читать статьи сразу после успешной
с помощью сервисов мобильной коммерции – оплаты.
МТС, Мегафон, Билайн – через интернет-банк
ведущих Банков РФ, через банкоматы и т. д.) По адресу http://scfh.ru/en/ Вы можете
получить электронный доступ
С помощью квитанции: после оформления к англоязычной версии журнала
заказа Вам будет выслана квитанция ПД-4 SCIENCE First Hand
для оплаты заказа в ближайшем отделении
Вашего Банка

По всем вопросам Подписка на печатную версию по каталогам:
обращаться: Агентство «Урал-Пресс»: www.ural-press.ru
Агентство «Деловая пресса»: www.delpress.ru
Тел.: 8 (383) 330-27-22 Информнаука: www.informnauka.com
Факс: 8 (383) 330-26-67 МК-периодика: www.periodicals.ru
e-mail: [email protected] Почта России: www.pochta.ru/
Юнисервиспресс: www.uspress.ru/
Платежные реквизиты: Подписка на электронную версию журнала:
Научная электронная библиотека:
ООО «ИНФОЛИО» www.e-library.ru
ИНН 5408148073, КПП 540801001 Пресса.ру: www.pressa.ru
Р/счет 407 02 810 603 120 002 214
в Новосибирский филиал
ПАО «МДМ БАНК»,
г. Новосибирск
Кор/счет 30101810850040000775
БИК 045004775

В стоимость подписки включена доставка журналов заказной бандеролью



Нитевидные бактериофаги после негативного контрастирования
фосфорно-вольфрамовой кислотой.

Электронная микроскопия Е. Рябчиковой