В новаторском исследовании учёные обнаружили более 100 новых человеческих вирусов у 252 различных видов кишечных микробов, что позволило по-новому взглянуть на наши бактерии и создать первую живую модель «кишечного вирома», который до сих пор представлял собой лишь фрагменты ДНК и маркеры. Это открытие имеет практическое значение для лечения некоторых из самых загадочных хронических заболеваний человека.
Учёные уже знают, что кишечник человека полон бактериофагов (фагов) – вирусов, поражающих бактерии, – но большая часть этих знаний получена благодаря метагеномике. Это означает, что всё, что мы знали до сих пор, было получено путём секвенирования ДНК непосредственно из образцов, а не путём выращивания вирусов в лаборатории. Это дало исследователям множество гипотез, но не так много экспериментальных доказательств того, как эти фаги ведут себя или взаимодействуют с бактериями (и, в свою очередь, с нашим здоровьем).
В этом исследовании международная группа под руководством ученых из Университета Монаша и Института медицинских исследований Хадсона вырастила, изолировала и активировала новые вирусы, выведя их из состояния покоя — «профага», что стало важным шагом на пути к пониманию и созданию вирома кишечника для здравоохранения и медицины.
Команда взяла 252 штамма бактерий из кишечника человека, полученных из Австралийской коллекции микробиомных культур (AusMiCC). Затем им пришлось вырастить каждый из них (изолят) в анаэробных камерах, чтобы получить живую культуру каждого чистого штамма. Когда их количество было достаточным, каждый изолят подвергался 10 различным воздействиям: воздействию химических веществ, продуктов питания и условий, таких как изменение уровня кислорода.
Благодаря этому процессу команде удалось «разбудить» 134 фага, фактически активировав активность и репликацию вирусов внутри бактерий. Примечательно, что только 18% фагов, предсказанных моделями, удалось индуцировать в чистых живых культурах. По сути, большая часть ожидаемых результатов не сработала в реальном мире, что свидетельствует о том, что одни лишь вычислительные прогнозы, по-видимому, переоценивают вирусную активность.
«Это фундаментальное исследование, которое меняет наши представления о вирусах в кишечнике человека и их изучение», — заявил старший автор, профессор Джереми Дж. Барр из Школы биологических наук Университета Монаша. «Мы обнаружили, что соединения, вырабатываемые в клетках кишечника человека, могут пробуждать спящие вирусы внутри кишечных бактерий. Это может иметь серьёзные последствия для лечения таких заболеваний кишечника, как воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), для которых воспаление и гибель клеток являются обычным явлением».
Команда обнаружила, что основным стимулятором активации кишечных фагов были искусственный подсластитель стевия, а также соединения, выделяемые нашими собственными клетками кишечника. Затем, создав синтетический микробиом кишечника, состоящий из 78 видов бактерий, культивируемых совместно с человеческими клетками, моделирующими слизистую оболочку кишечника, исследователи обнаружили, что 35% видов фагов активировались в присутствии наших клеток кишечника.
Прежде чем двигаться дальше, следует пояснить, что фаги инфицируют только бактерии, а не клетки человека – у них нет необходимого молекулярного аппарата для прикрепления к микробным хозяевам и репликации за их пределами. Однако, поскольку вирусы могут изменять генетическое поведение бактерий и видовой состав микробиома, что, в свою очередь, влияет на нас, они чрезвычайно важны, когда речь идёт о влиянии кишечника, например, на иммунную систему, обмен веществ и психическое здоровье.
Соединения, выделяемые клетками кишечника при их гибели или повреждении, оказались наиболее эффективными для активации фагов. Рацион, такой как переработанные продукты, лекарства, алкоголь, стресс, плохой сон и патогены, может повреждать клетки кишечника.
«Мы знали, что кишечник полон вирусов, но до сих пор у нас не было инструментов и экспериментальных подходов для их изучения в лабораторных условиях», — пояснила первый автор исследования, доктор София Дальман. «Наши результаты свидетельствуют о том, что человек-хозяин — это не просто пассивная среда, он активно влияет на поведение вирусов».
В одном из самых интересных открытий генная инженерия на основе CRISPR выявила специфические мутации и делеции в ДНК неактивных фагов, которые привели к их постоянному пребыванию в состоянии покоя. Группа учёных напрямую сравнила ДНК индуцируемых (активных) и неиндуцируемых (спящих) вирусов, чтобы выяснить, могут ли спящие вирусы когда-нибудь пробудиться. Они обнаружили, что у спящих фагов были вредоносные мутации в собственных генах интеграции и вырезания – механизмах, позволяющих фагу вырезать себя из бактериального генома и начать реплицироваться.
По сути, он эволюционировал, чтобы навсегда застрять внутри своего бактериального хозяина. Дальнейшие исследования подтвердили, что генетические изменения произошли внутри самого фага, поскольку хозяин оставался неизменным после устранения вирусных генетических мутаций. Эта часть исследования предоставила первое прямое функциональное доказательство того, что мутации в геноме фага могут навсегда лишить его способности к реактивации.
На первый взгляд, это кажется контрпродуктивным даже для микроорганизма, движущей силой которого является репликация и, следовательно, генетическое выживание. Однако такой покой может быть и жизненной стратегией, поддерживающей стабильность бактерии благодаря репликации её ДНК (хотя и практически без возможности мутации или эволюции) при каждом делении хозяина. Таким образом, в то время как некоторые вирусы активируются при воздействии нужных соединений, вырабатываемых в кишечнике под воздействием внешних факторов, таких как лекарства, эти спящие фаги просто эволюционировали, чтобы стать генетическими «попутчиками» внутри бактерий.
Однако неактивные, или «одомашненные», фаги всё ещё могут тонко влиять на здоровье нашего кишечника. Несмотря на то, что они больше не могут размножаться, вирусные гены, встроенные в бактериальную ДНК, могут влиять на поведение этих микробов, помогая дружественным штаммам преуспевать или подавляя вредоносные. В то же время, активные фаги могут быть однажды использованы для более эффективного формирования микробиома, воздействуя на вредоносные бактерии или доставляя полезные гены полезным штаммам, защищающим от таких заболеваний, как ВЗК. По сути, это открытие может послужить основой для будущих терапевтических стратегий, направленных на управление кишечным микробиомом для поддержания здоровья человека.
Это монументальное исследование длилось восемь лет благодаря усилиям коллективов Института Монаша и Хадсона, а также других австралийских и международных учёных. Вырастив коллекцию кишечных фагов и бактериальных хозяев, учёные получили реальные цели для изучения и экспериментов.
«Возможность выращивать эти вирусы позволяет нам понять их функции и даёт возможность разрабатывать микробиомные методы лечения заболеваний — от воспалительных заболеваний кишечника до рака», — сказал доцент Сэм Форстер из Института Хадсона. «Эта технология также даёт возможность конструировать пробиотические штаммы с заданными вирусными функциями».
А поскольку группа успешно культивировала и охарактеризовала множество бактериальных вирусов, эти методы теперь позволяют конструировать фаги и пробиотики для широкого спектра методов лечения человека.
«Эта работа закладывает основу для будущих приложений в синтетической биологии, биотехнологии и микробиомной терапии; это важный шаг вперед в расшифровке вирусной темной материи человеческого кишечника», — добавил Барр.
Исследование опубликовано в журнале Nature .
