Рис. 1. Житейский цикл хищной бактерии Bdellovibrio. Бделловибрион находит жертву — грамотрицательную бактерию и проникает в ее периплазматическое пространство (I, II). При этом клетка бактерии-жертвы приобретает округленную форму и погибает (III, IV). Хищник растет и размножается, питаясь содержимым уложенной клетки (IV, V). Потомство размножившегося хищника выходит из разрушенной клетки и приступает к розыскам новых жертв (VI). Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology
Скорое распространение устойчивых к антибиотикам штаммов патогенных бактерий заставляет медиков и биологов разыскивать новые подходы к борьбе с инфекциями. Одним из них может сделаться использование хищной бактерии Bdellovibrio. Эксперименты на личинках рыбы данио-рерио показали, что инъекция бделловибрионов повышает выживаемость личинок, зараженных патогенной бактерией Shigella flexneri. Плотоядный микроб проникает в клетки шигеллы и убивает их, снижая численность вирулентных бактерий до такого уровня, с которым уже способна справиться иммунная система хозяина. При этом сами бделловибрионы не вредят здоровью рыбы. Они плодятся только в клетках своих жертв — патогенных бактерий, а затем исподволь элиминируются иммунной системой. Исследование показало принципиальную возможность эффективного применения бделловибрионов для лечения инфекций внутренних органов, возбуждаемых грамотрицательными бактериями.
В истории человечества был краткий миг, когда многим экспертам показалось, что проблема инфекционных заболеваний, возбуждаемых бактериями, решена раз и навсегда. Это было сразу после основы широкого применения антибиотиков. Но вскоре пришло разочарование: очутилось, что микробы способны быстро вырабатывать устойчивость к антибиотикам. Исподволь стало ясно, что для того, чтобы не проиграть эволюционную гонку вооружений с вирулентными микроорганизмами, нужно не только разрабатывать новые антимикробные оружия взамен тех, к которым микробы уже приобрели устойчивость, но и придумывать принципиально новоиспеченные стратегии борьбы с инфекциями. В частности, большие надежды возлагаются на разработку «биологического оружия» против бактерий, то кушать на использование их природных врагов, таких как бактериофаги (см.: К. Мирошников. Пожиратели бактерий; интервью с К. Севериновым: Бактериофаги в войне с заражением продуктов).
Еще один естественный враг многих вирулентных микробов — хищные бактерии, самой изученной из которых является Bdellovibrio bacteriovorus. Бделловибрионы проникают в клетку бактерии-жертвы, убивают ее (при этом клетка приобретает специфическую округлую форму) и некоторое время размножаются в ней, а затем сходят на поиски новых жертв (рис. 1). В отличие от бактериофагов, обладающих рослой специфичностью (из-за этого вирус, эффективный против одного штамма патогенов, нередко оказывается бесполезен против других), бделловибрионы успешно расправляются с размашистым кругом грамотрицательных бактерий, в том числе — с возбудителями опасных заболеваний. Bdellovibrio не использует специфические неглубокие белки жертвы для ее идентификации и не подбирает индивидуальных молекулярных «ключей» для штурмы. Поэтому бактериям-жертвам должно быть труднее защититься от этого хищника, чем от антибиотика или фага (подобно тому, как мышам легче выковать устойчивость к яду, чем к кошке). Действительно, бесспорных случаев выработки у бактерий-жертв родовой устойчивости к бделловибрионам пока не обнаружено.
Эти особенности делают бделловибрионов потенциально перспективным антибактериальным оружием. Впрочем, за 53 года с момента их открытия (H. Stolp, M. P. Starr, 1963. Bdellovibrio bacteriovorus gen. et sp. n., a predatory, ectoparasitic, and bacteriolytic microorganism) дело так и не дошло до утилитарного применения. Может быть, всё дело в том, что распространение устойчивых к антибиотикам патогенных бактерий еще не приобрело по-настоящему угрожающих масштабов. Но изыскания в этом направлении потихоньку ведутся (R. E. Sockett, C. Lambert, 2004. Bdellovibrio as therapeutic agents: a predatory renaissance?).
Судя по имеющимся этим, бделловибрионы сами по себе безвредны для позвоночных. Показано, что пероральное применение бделловибрионов снижает численность сальмонелл в пищеварительном большаке цыплят (R. J. Atterbury et al., 2011. Effects of Orally Administered Bdellovibrio bacteriovorus on the Well-Being and Salmonella Colonization of Young Chicks), а вступление их в легкие крыс помогает вылечить пневмонию, вызванную бактерией Klebsiella pneumoniae (K. Shatzkes et al., 2016. Predatory Bacteria Attenuate Klebsiella pneumoniae Burden in Rat Lungs). Кроме того, кушать данные, указывающие на эффективность бделловибрионов как средства против глазных инфекций (R. M. Q. Shanks, D. E. Kadouri, 2014. Predatory prokaryotes wage war against eye infections).
Новоиспеченное исследование британских микробиологов, результаты которого опубликованы в журнале Current Biology, впервые показало возможность эффективного применения инъекций бделловибрионов для войны с инфекциями внутренних органов.
Авторы работали с одним из классических объектов экспериментальной биологии — личинками рыб данио-рерио (см. также: Zebrafish). Среди совершенств этой модели — прозрачность, благодаря которой можно следить за бактериями прямо внутри живых рыбок, а также редкостная живучесть, позволяющая исследователям подвергать их самым затейливым манипуляциям.
В экспериментах использовались бделловибрионы, помеченные красной флуоресцентной точной (mCherry), и устойчивый к антибиотикам (стрептомицину и карбенициллину) штамм патогенной бактерии Shigella flexneri, помеченный зеленой точной (GFP). Бактерий вводили в желудочек заднего мозга личинкам трехдневного года. У здоровых личинок в спинномозговой жидкости нет ни бактерий, ни лейкоцитов, потому там удобно следить за развитием инфекции и иммунным ответом.
Для основы исследователи убедились, что инъекция бделловибрионов сама по себе не вредит здоровью личинок. В отсутствие иных бактерий хищные микробы не могут размножаться, и их численность в мозге исподволь снижается. Опыты с трансгенными рыбками, у которых флюоресцентными метками бывальщины помечены макрофаги и нейтрофилы, позволили установить, что эти клетки проникают в спинномозговой канал и заглатывают бделловибрионов. Впрочем, мощной воспалительной реакции при этом не возникает и жизнеспособность личинок не снижается. Сквозь двое суток после инъекции в рыбке практически не остается бделловибрионов.
В отсутствие бделловибрионов введенная в мозг шигелла скоро размножается, что приводит к гибели 70–75% личинок в течение 72 часов. Однако если сквозь 30–90 минут после заражения впрыснуть в мозг личинке порцию бделловибрионов, то численность шигеллы начинает снижаться, а выживаемость рыбок приметно возрастает (рис. 2). При этом бделловибрионов поначалу становится вяще, потому что они размножаются внутри своих жертв, но затем, когда жертв не остается, численность Bdellovibrio тоже скоро сходит на нет.
Рис. 2. Численность шигелл в мозге личинки в отсутствие бделловибрионов растет (три левые снимки; шигеллы помечены зеленой флюоресцентной меткой; hpi — часы после заражения; PBS — натрий-фосфатный буфер). После инъекции бделловибрионов численность шигелл снижается (три правые снимки; бделловибрионы помечены красной меткой). Внизу показана реконструкция событий, выходящих в мозге зараженной личинки. В отсутствие бделловибрионов шигеллы скоро размножаются, клетки иммунной системы не могут справиться с таким числом патогенных бактерий, и рыбка погибает. Бделловибрионы охотятся на шигелл и снижают их численность до такого степени, при котором иммунная система в состоянии подавить инфекцию. Изображение из обсуждаемой статьи в Current Biology.
При поддержки конфокального микроскопа удалось разглядеть, что бделловибрионы в мозге живых личинок подлинно атакуют шигелл и размножаются в их клетках, которые при этом приобретают специфическую округлую форму (рис. 3).
Рис. 3. Бделловибрион (красный) атакует шигеллу (травяная) в мозге живой рыбки. Видно, что клетка шигеллы при этом приобретает округленную форму. Длина масштабного отрезка — 2,5 мкм, mpi — минуты после инъекции. Изображение из обсуждаемой статьи в Current Biology
Добавочные эксперименты с рыбками, лишенными лейкоцитов (у этих рыб на ранних стадиях развития блокировали труд гена, необходимого для развития лейкоцитов), показали, что таким рыбам бделловибрионы тоже помогают биться с инфекцией, однако наибольшая выживаемость инфицированных личинок наблюдается в том случае, если у них и иммунная система в распорядке, и инъекция хищных бактерий была сделана вовремя (рис. 4).
Рис. 4. Процент личинок, выживших спустя 24, 48 и 72 часа после заражения шигеллой. Кружки — личинки с нормальной иммунной системой, квадратики — личинки без лейкоцитов. Белоснежные значки — инъекция натрий-фосфатного буфера, черные — инъекция бделловибрионов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology
Таким манером, иммунная система и бделловибрионы объединяют свои усилия в войне с патогенными бактериями. Итоговая реконструкция процессов, происходящих в мозге зараженной рыбки, показана внизу на рис. 2.
Это исследование, наряду с другими, подтверждает, что хищные бактерии в грядущем могут стать надежными помощниками медиков в борьбе с патогенными микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам.
