«С развитием цивилизации мы потеряли наших микробов». Биолог — о бактериях

Крупнейшим микробиологическим открытием последних лет стали системы CRISPR-Cas. С их помощью бактерии борются со своими вирусами (бактериофагами). После того как на молекулярном уровне стал понятен механизм действия этих защитных систем, возникла возможность программируемого направленного изменения геномов высших организмов, включая человека. По сути речь идет о технологической революции, создании нового направления — геномного редактирования, которое на наших глазах изменяет и биомедицину, и биотехнологию, и сельское хозяйство.

При этом для изменения геномов сельскохозяйственных животных, растений и человека используются белки, которые «придумали» не ученые, а бактерии для борьбы со своими вирусами. Просто оказалось, что это бактериальное ноу-хау может быть легко использовано нами на практике.

Похожая вещь произошла в середине 1970-х годов, когда стал понятен механизм действия другого способа защиты бактерий от бактериофагов — систем рестрикции-модификации. Это открытие стало основой методов молекулярного клонирования и создания рекомбинантной ДНК. Без этих методов не было бы лекарств типа рекомбинантного человеческого инсулина, терапевтических антител и многих других.

Да, геномное редактирование заключается в введении в клетку интересующего вас организма генетического редактора — бактериального белка Cas, запрограммированного на узнавание строго определенной последовательности ДНК и ее изменение. Количество сельскохозяйственных животных и растений, геномы которых были изменены с помощью CRISPR-технологии, с каждым годом растет.

Более того, есть люди, геномы которых были изменены с помощью Cas-белков, — это знаменитые китайские близнецы Лулу и Нана. Собственно редактирование состоит в том, что вы направляете белок Cas (его можно рассматривать как высокоточные молекулярные «ножницы») для внесения разрыва в нужное место генома. Но эти «ножницы» имеют бактериальное происхождение: миллиарды лет они используются не для того, чтобы улучшать породы коров или собак, а для того, чтобы бактерии спасалась от досаждающих им вирусов.

В последнее время появилось осознание того, что на здоровье, болезни и даже некоторые психические состояния людей могут сильно влиять живущие в нас бактерии. Количество микроорганизмов, в основном бактериальных клеток, в нашем кишечнике сравнимо с количеством клеток нашего собственного организма. Эти бактерии образуют целую экосистему, сообщество, которое называют микробиомом. Микробы обладают способностью синтезировать множество химических веществ, большинство из которых биоактивны. Собственно, антибиотики — один из хорошо известных примеров. Микробы, существующие внутри нас, также производят самые разные вещества, некоторые из которых, по-видимому, могут влиять на наши физиологию и поведение. Классический пример — витамины, многие из которых производятся живущими в нас бактериями, а затем используются нашими собственными клетками, которые сами потеряли способность их производить.

Достоверных данных о том, что состав микробиома реально влияет на что-то, немного, за исключением редких случаев типа болезни Крона (и даже в этом случае полной уверенности нет). Проблема в том, что кишечный микробиом — это динамически меняющееся сообщество, которое зависит от диеты, от того, сходил ли человек в туалет или нет, и еще от многих факторов. Поэтому стандартизировать условия для контролируемых исследований, чтобы доказательно определить, на что состав микробиома влияет, а на что нет, очень сложно. Не говоря уже о том, что длина нашего кишечника — несколько метров и в разных его отделах свои, сильно различающиеся микробиомы.

В общем, на сегодня ситуация такая, что многие думают: «Микробиом очень важен для нас», — но в ближайшее время никаких лекарственных средств, направленно действующих на микробиом с целью излечения человека от той или другой болячки, произведено не будет.

Очевидно, диета. Когда мы принимаем пищу, то мы кормим не только себя, но и своих микробов. Так же как и мы, разные группы микробов имеют разные пищевые предпочтения. Соответственно, представленность групп различных микробов после перехода с веганства на мясную пищу изменится. Семьи, которые живут вместе, часто имеют похожий состав микробов, что также указывает на то, что образ жизни влияет на состав микробиома. Есть четкие данные, полученные довольно давно на мышах, что некоторые проблемы с ожирением можно решить пересадкой бактерий от тощих мышей толстым, которых предварительно обработали антибиотиками (но мы все-таки не мыши).

У городских жителей цивилизованных стран разнообразие кишечных микробов гораздо меньше, чем, например, у индейцев Амазонии. То есть в некотором смысле с развитием цивилизации мы потеряли наших микробов. Их разнообразие уменьшилось. Скорее всего, это также связано с тем, что диета современного человека менее разнообразна, чем диета представителей племен, живущих в тропических лесах. Некоторые люди очень из-за этого переживают. И уже есть проекты по «спасению» человеческих микробов, потому что якобы многие микробы могут исчезнуть: им негде будет жить из-за того, что кругом будет специфическая однообразная диета. Логика при этом такая, что некоторые из исчезнувших или исчезающих микробов в будущем могли бы использоваться, например, как производители каких-то особых биоактивных веществ, антибиотиков и вообще положительно влиять на наше здоровье.

В ближайшее время вряд ли стоит ожидать каких-то прорывов. Напомню: антибиотики выделяют бактерии или микроскопические грибы, чтобы бороться с другими бактериями или грибами, а вовсе не для того, чтобы спасать людей. Для того чтобы выделить антибиотик по стандартной технологии, нужно на чашке Петри вырастить колонию бактерии, а потом показать, что она производит какое-то вещество, которое подавляет рост других бактерий. Потом надо охарактеризовать это вещество. Показать, что оно отличается от уже известных антибиотиков, что оно эффективно убивает патогенных бактерий, в частности тех, которые устойчивы к известным антибиотикам. А также то, что оно нетоксично для клеток человека, что его можно получать в промышленных количествах за разумные деньги. Затем провести клинические испытания, доказать эффективность и безопасность, а потом уже ввести его в практику.

Антибиотики, которые легко было открыть, нашли еще в 1950—1960-х годах. Они до сих пор используются в медицине и сельском хозяйстве. Стандартные подходы для поиска новых антибиотиков приводят к тому, что ученые разных стран, что в Америке, что в России, что в Исландии, находят уже известные антибиотики. Может быть, что все существующие природные антибиотики уже известны науке. Но это, скорее всего, не так.

Относительно недавно стало понятно, что количество бактерий, которые растут на чашках в лаборатории, очень мало по сравнению с общим количеством бактерий. Например, подавляющее большинство бактерий из нашего кишечника или из образца почвы под нашими ногами в лаборатории не вырастут. А значит, антибиотики, которые, возможно, производятся этими бактериями, не могут быть обнаружены стандартными методами.

Нужно открыть принципиально новые антибиотики. Стратегии их поиска связаны с развитием геномики, биоинформатики и методов молекулярного клонирования, создания пресловутых генномодифицированных организмов. С помощью этих методов можно избежать необходимости культивирования бактерий в лаборатории. Работает это следующим образом. Ученые выделяют всю ДНК, находящуюся в образце, например, почвы у вашего дома, и определяют геномные последовательности всех многочисленных бактерий, которые там были. Вы не изучаете каждую бактерию отдельно, а получаете набор их генов на компьютере. С помощью анализа этих генетических текстов, последовательностей ДНК методами биоинформатики можно предсказывать, более или менее надежно, группы генов, которые могли бы отвечать за синтез каких-то антибиотиков. Затем предположение подтверждается экспериментально. Делается это путем химического синтеза интересующих вас генов, введения их в какую-нибудь простую, хорошо растущую в лаборатории бактерию, и определения, будет ли полученная химерная бактерия с привнесенными генами производить антибиотик.

Но этот подход достаточно дорогой, и успех, конечно, не гарантирован. На самом деле, найти что-то интересное в науке это все равно что выиграть джекпот в лотерею. Вообще, нет антибиотика, против которого у бактерий через короткое время не возникнет устойчивость. Поэтому более эффективным способом были бы административные меры, вроде ограничения свободной продажи антибиотиков, контроля их использования, повышения уровня образования врачей и пациентов, ограничения использования антибиотиков в сельском хозяйстве и так далее.

В подавляющем большинстве случаев известные антибиотики или их комбинации все еще работают. В этой ситуации реального спроса на разработку новых антибиотиков нет. В целом, антибиотики, когда они работают, настолько эффективны, что их разработка не прибыльна для фарминдустрии.

Если вы имеете в виду российскую фармакологическую промышленность, то в широком смысле ее не существует. Есть такое понятие «бигфарма» — это десяток компаний, которые владеют подавляющей долей мирового фармакологического рынка. Россия — это место, где бигфарма продает свои лекарства. Иногда даже локализует производство. Но бигфарма не занимается в России разработками лекарств. Немногие серьезные российские фармкомпании, как правило, производят биобеттеры или биосимиляры, то есть аналоги ранее разработанных бигфармой препаратов, чей срок патентной защиты закончился. И слава богу, что российские фармкомпании смогли создать такие производства, это очень непросто в наших условиях. Так что говорить о каких-то передовых промышленных разработках в немодной и невыгодной области антибиотиков, которые вот-вот выйдут, удивят весь мир и станут везде продаваться, не приходится.

От внутрибольничной пневмонии очень сложно защититься. Именно в больницах наиболее часто встречаются патогенные бактерии, устойчивые к множественным антибиотикам. Они там «выводятся» в результате дарвиновской эволюции. На протяжении многих лет в больницах используют антибиотики, поэтому чувствительные к антибиотикам бактерии исчезают, зато остаются те, которые приобрели мутации устойчивости, и они быстро распространяются по лечебному учреждению. Часто оказывается, что в отдельных больницах живут свои, выведенные там устойчивые бактерии, отличные от «коллег» в других больницах. Ситуация усугубляется тем, что люди, которые попадают в больницы, ослаблены, то есть более подвержены инфекциям.

Серьезные проблемы возникли на фоне COVID-19, когда попытки лечения пневмонии антибиотиками приводили к тому, что у пациентов отбирались устойчивые клоны, например пневмококков, которые приводили к смертельной инфекции уже после излечения от коронавируса. Похожая ситуация со СПИДом. Умирают не от него, а от различных инфекций, в частности, вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам.

Единственный действительно эффективный способ борьбы с внутрибольничными инфекциями — ограничивать прием антибиотиков везде, где это только можно. И также нужно разработать систему мер, которые ограничивают возникновение устойчивости бактерий и их распространение. А еще нужно создать качественную систему мониторинга микробов в медучреждениях.

Россия в этом смысле далеко не самый хороший пример. В США, например, нельзя купить антибиотик без рецепта врача, а в России — пожалуйста. Но надо понимать, что всякий раз, когда вы пользуетесь антибиотиком, когда могли бы без него обойтись, вы повышаете шанс, что, когда он вам действительно очень понадобится, лечение будет неэффективным. Никакая разработка новых антибиотиков проблему не решит.