Человеческое тело является домом для множества микроорганизмов, которые населяют его с древнейших времён и участвуют во многих физиологических процессах. Однако наряду с полезной микрофлорой наш организм постоянно подвергается атакам болезнетворных бактерий, способных вызывать опасные заболевания.

С тех пор, как в 1928 году Александр Флеминг открыл антибактерицидное действие пенициллина, антибиотики являются основным средством борьбы с патогенными микроорганизмами.

Однако у таких препаратов имеется существенный недостаток — они не разделяют бактерии на хороших и плохих, убивая всех без разбора.

Из-за этого снижается иммунитет организма и возникает риск новых заболеваний.

К тому же бактерии способны вырабатывать устойчивость к антибиотикам. Такие штаммы нередко вызывают крупные эпидемии и уносят тысячи жизней (так, в России сейчас распространяется устойчивый к антибиотикам туберкулёз).

Большинство антибиотиков блокируют жизненно важные функции микроорганизмов, например, деление или синтез белков. Но некоторые формы, в том числе метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) и карбапен-устойчивые энтеробактерии(CRE), эволюционировали так, что практически не замечают существующие препараты.

«Это довольно ответственный момент, когда можно использовать все меньше и меньше новых антибиотиков, но при этом появляется все больше устойчивых бактерий, — говорит Тимоти Лю (Timothy Lu) из Массачусетского технологического института. — Мы были заинтересованы в поиске новых способов борьбы с резистентными организмами, и новое исследование предлагает две различные стратегии».

Рис. 1.

Лю и его коллеги создали молекулярного охотника, способного целенаправленно действовать против целого ряда штаммов болезнетворных микробов. В основе разработки лежит технология редактирования генов с помощью коротких нуклеотидных последовательностей, известных как CRISPR.

С их помощью можно найти строго определённый ген бактерии и разрезать ДНК в соответствующем месте, что неизбежно вызывает гибель клетки.

CRISPR был впервые обнаружен биологами, которые изучали механизм защиты бактерий от своих злейших врагов — вирусов-бактериофагов. Оказалось, что

один из белков под названием Cas9 способен разрезать молекулу РНК.

Для этого он связывается с короткими нуклеотидными нитями, указывающими ему, в каком именно месте совершить разрез. Бактерии хранят в своём геноме много таких фрагментов, каждый из которых соответствует определённому специфичному участку РНК тех вирусов, с которыми сражались предыдущие поколения этих микроорганизмов.

Теперь учёные используют орудие микробов против них самих. Лю и его коллеги настроили систему CRISPR на поиск гена, кодирующего фермент NDM-1, который обеспечивает устойчивость ко многим видам бета-лактамных антибиотиков.

Как правило, эти гены находятся в плазмидах — кольцевых ДНК, которые расположены отдельно от основного генома микроорганизма для быстрого распространения внутри популяции.

Молекулярный комплекс проникает в клетки бактерий и либо уничтожает плазмиду, несущую советующий ген, что делает клетку беззащитной перед антибиотиками, либо, в случае если ген заключен в основном геноме, разрезает хромосомную ДНК и тем самым убивает организм. Таким образом исследователям удалось уничтожить 99% бактерий, вырабатывающих фермент NDM-1.

Воодушевлённые успехом учёные опробовали систему против другого гена SHV-18, мутации в котором обеспечивают устойчивость к антибиотикам и вирулентность патогенных форм кишечной палочки, и снова добились обнадёживающего результата.

Для доставки «убийцы» в клетку авторы статьи, опубликованной в издании Nature Biotechnology, использовали специальные инженерные бактерии, которые несли гены, кодирующие необходимые CRISPR на своих плазмидах, или модифицированные вирусы-бактериофаги, которые вставляли соответствующие гены в геном микроорганизма.

В настоящее время технология проходит испытание на мышах. Но, по словам учёных, уже сейчас понятно, что, в конечном счёте, система CRISPR может быть использована для лечения инфекций и удаления нежелательных бактерий из организма человека.