Не будите спящую бактерию
|
Элемент случайности в науке, право, заслуживает особого разговора. Не исключение он и в наши прагматичные дни. Все началось с забытой на столе колбы с бактериями. Когда же спустя несколько недель пропажа отыскалась, ученые заметили странную метаморфозу: микроорганизмы... "заснули". Так или примерно так началось восемь лет назад постижение законов клеточного взаимодействия мира микробов. И впору присудить премию забывчивому лаборанту, ведь сегодня исследователи вплотную подошли к созданию эффективных методов борьбы с опасной инфекцией - туберкулезом. Слово - одному из авторов открытия бактериальных цитокинов, заведующему лабораторией биохимии стрессов микроорганизмов Института биохимии им. А.Н.Баха РАН, профессору Арсению КАПРЕЛЬЯНЦУ.
До недавнего времени считалось, что только высшие, эукариотические клетки, содержащие ядро, делятся под действием специальных сигнальных (коммуникационные) молекул - цитокинов. Как уже установлено, цитокинов в организме много, они отличны по своей структуре, и используются клетками организма для обмена информацией по разным поводам. Например, чтобы запустить развитие определенного клона иммунокомпетентных клеток, сигнальные молекулы воздействуют на другие клетки и таким образом индуцируют сложные процессы деления и дифференцировки. Иными словами, цитокины - это межклеточные вещества-коммуникаторы, которые стимулируют цитогенез, "говоря" клетке, что ей пора делиться. Что же касается бактериальных клеток, доминировала точка зрения, что они, размножаясь в лабораторных культурах или в организме хозяина, ведут себя независимо друг от друга. Однако исследования последних лет поменяли эти представления. Стало ясно, что бактериальная популяция тоже достаточно неоднородна и в некотором смысле напоминает высшие ткани. Между клетками микроорганизмов также существует обмен информационными молекулами для выполнения различных функций. Эти вещества-коммуникаторы (в некоторых случаях они уже выделены) работают в очень маленьких количествах, исчисляемых нано- и пиктограммами, что даже ниже концентрации гормонов высших клеток, и поэтому их назвали бактериальными феромонами. Скажем, исчерпаны питательные вещества в бактериальной культуре, клетки начинают "бить тревогу": пора дифференцироваться и образовывать споры. Теперь мы знаем, что в этом случае они выделяют специальные сигнальные молекулы, индуцирующие споруляцию. Под контролем феромонов находятся и иные процессы дифференцировки микроорганизмов, а также конъюгация (аналог полового процесса). Тем не менее до последнего времени существовало представление, что размножение бактериальных клеток все же автономный процесс, не требующий специальных индукторов. Наши исследования показали, что это не так, и наличие и значение бактериальных цитокинов может быть выявлено при исследовании клеток в специальных условиях. В частности, таким условием может служить состояние бактерий, которое мы называем дорматным. Дорматные бактерии - некий аналог покоящихся, спящих микроорганизмов. Вообще такие формы представляют особый интерес для медицины, поскольку становится ясно, что кроме активных бактерий, вызывающих множество болезней, существуют и так называемые покоящиеся. Они находятся в организме в таком странном спящем состоянии и даже могут быть как бы невидимыми. В каком смысле? Как известно, чтобы увидеть микроорганизмы, их надо высевать, культивировать на подходящих средах. Но по непонятным пока причинам такие дорматные бактерии отказываются это делать. А опасность и значимость их состоит в том, что иногда (опять же по неизвестным пока мотивам) они вдруг просыпаются. И тут-то начинается развитие клона: дорматные бактерии становятся патогенными. Например, язвенная болезнь желудка считается сегодня инфекционным и даже заразным заболеванием, особенно если его возбудитель Нelicobacter pylori находится в активной форме. Вот почему все современные схемы лечения включают терапию антибиотиками. Но, вообще, эти бактерии весьма странные: находясь где-то под слизистой, они нередко любят "засыпать", что, вероятно, и делает процесс развития язвы вялотекущим. Покоящиеся формы бактерий, персистирующие годами, обнаруживаются и в уротракте. Похоже, что многие вялотекущие инфекции существуют из-за "бактериальной спячки". Характерными являются палочка Коха - Mycobacterium tuberculesis, которая также способна к существенной персистенции, обеспечивая так называемую латентность туберкулеза. Ведь не секрет, что треть населения Земли обсеменена туберкулезом, но с носителями палочки может годами ничего не происходить. И когда наступит пора заболевания, никто не знает. Возможно, это связано с питанием, переохлаждением, наличием стрессов. Поэтому в некотором смысле латентную форму туберкулеза тоже можно назвать дорматной - микроорганизм как бы спит в теле. Когда мы исследовали лабораторные (непатогенные) штаммы микрококка, то обнаружили явление перехода таких бактерий в состояние покоя. Как всегда, открытие произошло случайно - забыли на время об одной из колб. В итоге научились создавать условия, когда вся популяция переходила в дорматное состояние, и даже при комнатной температуре с ней месяцами ничего не происходило. Именно на такой модели и была зарегистрирована деятельность коммуникационных молекул, индукция которых выводила бактерии из "спячки". Вначале подметили следующий феномен: чтобы покоящаяся клетка перешла в активированное состояние, ей почему-то необходимо было попасть в окружение нормально растущих клеток. Тут же предположили, что, возможно, последние выделяют некие вещества, которые "говорят" покоящимся формам, что пора "просыпаться" и размножаться. Прошло еще два года, прежде чем удалось наконец выделить само вещество. Им оказался небольшой белок, секретируемый нормальными бактериями. Когда же мы добавили этот белок "спящим" бактериям, получили их оживление. В последствии оказалось, что белок стимулирует рост и обычных, живых бактерий. Так был обнаружен первый, как мы его назвали, бактериальный цитокин - по аналогии с "эукаритическими" цитокинами. Но удивление еще больше возросло, когда обнаружилось, что белок-цитокин имеет сильную гомологию с несколькими белками, которые секретируются Mycobacteria tuberculesis. Поскольку эта бактерия представляет большой интерес для медицины, ее геном секвенировали одним из первых (замечу, кстати, что на сегодня секвенировано уже около 35 геномов бактерий). А значит, зная последовательность аминокислот нашего белка, а также имея программы, дающие возможность сравнивать последовательности генов и белков других бактерий, можно перейти от лабораторных исследований in vitro или in vivo к виртуальным in silico (на компьютере), ускорив получение теоретических и практических результатов. Мы увидели, что туберкулезный геном содержит пять сходных с микрококком генов, которые в активном состоянии кодируют белки, очень похожие на выделенные нами. Это вызвало большой интерес, поскольку мы уже знали, что туберкулезные микобактерии тоже любят пребывать в дремлющем состоянии. Клонировав нужные гены микрококка и туберкулезных микобактерий и наработав с помощью продуцентов достаточное количество белков - предполагаемых цитокинов, мы стали исследовать эти вещества и обнаружили, как и догадывались, что они тоже могут активировать деление микобактериальных клеток, в частности микобактерий туберкулеза. Как оказалось, все нами исследованные бактерии, входящие в группу так называемых GC-богатые бактерии (их ДНК содержит много гуанина и цитозина), содержат очень сходные с микрококком и туберкулезной палочкой гены. Группа довольно большая, в нее входят все известные микобактерии, каринобактерии и, что важно, стрептомицеты - продуценты антибиотиков. На сегодня мы имеем уже шесть белков, которые обладают способностью стимулировать рост бактериальных клеток. Естественно, мы установили связь с иммунологами ЦНИИ туберкулеза РАМН и Государственного научного центра прикладной микробиологии и вместе пытаемся понять, насколько выделенные нами белки перспективны в иммунизационных целях. Первые результаты исследований на мышах обнадеживают и говорят о том, что защита есть. Очень важно, что эти белки создают клеточный иммунный ответ, ведь для туберкулеза это самая главная линия защиты, а не столько гуморальный (выработка антител). Вот почему так сложно создать хорошую вакцину против туберкулеза: вакцинация обломками клеток (как это делалось для других инфекций) не эффективна, нужно вводить именно либо живые клетки (типа БЦЖ), либо нечто, что производится живыми бактериями, когда они оказываются в клетках хозяина. И второе, что мы собираемся делать. Если подобные бактериальные цитокины воздействуют как-то на клетку, значит, есть и механизмы восприятия сигнала. Скорее всего, это какие-то рецепторы на поверхности клетки, которые и чувствуют данные вещества. Следовательно, можно создать имитаторы-антагонисты такого воздействия, и на их основе делать лекарственные соединения. Сегодня, если известна трехмерная структура белка, можно на компьютере делать молекулярный дизайн низкомолекулярных соединений, которые будут перспективны в плане защиты. И такой проект возможен в ближайшем будущем совместно с американскими учеными. Еще один проект - попытаться с помощью таких соединений извлечь, "вытащить" из окружающей среды так называемые некультивируемые бактерии, скажем, те же стрептомицеты - продуценты многих важных веществ. Ведь мы работаем примерно с 1 проц. всех видов микробов, находящихся в природе, остальные же 99 проц. пока просто еще не умеем культивировать. Они, в частности, могут находиться, например, в почве в спящем состоянии и не способны давать рост на наших обычных средах. Если их каким-то образом активировать то, возможно, мы получим совершенно новые виды стрептомицетов, а это новые продуценты, новые антибиотики. Замечу, что все работы последних 10 лет идут совместно с английскими учеными из Уэльского университета. Если бы не их техническая база, многие наши идеи остались бы без воплощения. Записал Вячеслав СВАЛЬНОВ, корр. "МГ". |