У безпрецедентному дослідженні, що тривало вісім років, науковці зробили справжній прорив, відкривши понад сотню нових людських вірусів у 252 різних мікробах кишківника. Це новаторське вивчення не лише надає дивовижний погляд на наші бактерії, а й створює першу в історії живу модель так званого “вірому кишківника” – сукупності всіх вірусів, що мешкають у кишківнику. Донедавна цей віром був лише набором ДНК-фрагментів і маркерів, але тепер він ожив у лабораторних умовах. Ця подія має вирішальне значення для лікування деяких найскладніших хронічних захворювань людини.
Вченим вже давно відомо, що людський кишківник буквально кишить бактеріофагами – вірусами, що інфікують бактерії. Проте більша частина цих знань була отримана методом метагеноміки. Це означає, що наше розуміння досі ґрунтувалося на секвенуванні ДНК безпосередньо зі зразків, а не на вирощуванні самих вірусів у лабораторії. Такий підхід породив безліч гіпотез, але не давав багато експериментальних доказів того, як ці фаги поводяться або взаємодіють з бактеріями і, своєю чергою, з нашим здоров’ям.
Як вчені “розбудили” приховані віруси
У цьому дослідженні міжнародна команда під керівництвом вчених з Університету Монаша та Медичного дослідницького інституту Хадсона зробила величезний крок уперед. Університет Монаша, один з найпрестижніших вищих навчальних закладів Австралії, відомий своїми інноваційними дослідженнями. Інститут Хадсона також є провідним центром медичних досліджень, зосередженим на вирішенні найгостріших проблем здоров’я. Разом дослідники змогли виростити, ізолювати та навіть “розбудити” ці нові віруси з їхнього дрімаючого стану, відомого як “профаг”. Це значно наближає нас до розуміння та можливості маніпулювати віромом кишківника задля поліпшення здоров’я та в медицині.
Команда взяла 252 штами бактерій з людського кишківника, отримані з Австралійської колекції мікробних культур (AusMiCC). Потім кожен з цих штамів, що є окремим ізолятом, вирощували в анаеробних камерах, щоб отримати живі культури кожної чистої лінії. Після того як кількість бактерій ставала достатньою, кожен ізолят піддавали впливу 10 різних обробок – сполук, продуктів, а також змін умов, як-от рівень кисню.
Завдяки цьому процесу команді вдалося “розбудити” 134 фаги, по суті, активувавши діяльність і реплікацію вірусів всередині бактерій. Цікаво, що лише 18% фагів, які були передбачені комп’ютерними моделями, вдалося індукувати в чистих живих культурах. По суті, більшість очікуваного не спрацювала в реальних умовах, що показує: суто обчислювальні передбачення, ймовірно, переоцінюють вірусну активність.
“Це фундаментальне дослідження, яке змінює наше уявлення про вивчення вірусів у людському кишківнику, – заявив старший автор, професор Джеремі Дж. Барр зі Школи біологічних наук Університету Монаша. – Ми виявили, що сполуки, що виробляються в клітинах кишківника людини, можуть активувати дрімаючі віруси всередині кишкових бактерій. Це може мати значні наслідки для кишкових захворювань, таких як запальні захворювання кишківника (ЗЗК), де запалення та загибель клітин є звичним явищем.”
Що активує віруси і чому це має значення
Команда виявила, що штучний підсолоджувач стевія, а також сполуки, що вивільняються нашими власними кишковими клітинами, були основними ініціаторами активації цих кишкових фагів. Потім, створивши синтетичний кишковий мікробіом, що складався з 78 видів бактерій, які були співкультивовані з людськими клітинами, що моделюють кишкову оболонку, дослідники виявили, що 35% видів фагів ставали активними за присутності наших кишкових клітин.
Перш ніж продовжити, слід пояснити, що фаги інфікують лише бактерії, а не клітини людини – вони не мають належного молекулярного апарату для прикріплення або реплікації за межами своїх мікробних господарів. Однак, оскільки віруси можуть змінювати генетичну поведінку бактерій та видовий склад мікробіому, що, своєю чергою, впливає на нас, вони надзвичайно важливі, коли йдеться про вплив кишківника на імунну систему, метаболізм та психічне здоров’я.
Було доведено, що сполуки, що вивільняються з кишкових клітин під час їхньої загибелі або пошкодження, є найефективнішими в активації фагів. Дієта, зокрема оброблена їжа, медикаменти, алкоголь, стрес, поганий сон та патогени – усе це може пошкоджувати клітини кишківника.
“Ми знали, що кишківник повний вірусів, але досі ми не мали інструментів та експериментальних підходів для їх вивчення в лабораторії”, – пояснила перша авторка дослідження, доктор Софія Дальман. “Наші висновки свідчать про те, що людський організм не є просто пасивним середовищем, він активно впливає на вірусну поведінку”.
Загадка “сплячих” вірусів та їхня роль
Одне з найзахопливіших відкриттів полягало в тому, що генетична інженерія на основі технології CRISPR – революційного методу редагування генів, який дозволяє точно змінювати ДНК організмів – дозволила ідентифікувати специфічні мутації та делеції в ДНК неактивних фагів, які призвели до їхнього постійного дрімання. Команда безпосередньо порівняла ДНК індукованих (активних) та неіндукованих (дрімаючих) вірусів, щоб з’ясувати, чи можуть дрімаючі колись знову “прокинутися”. Вони виявили, що дрімаючі фаги мали пошкоджувальні мутації у своїх власних генах інтеграції та ексцизії – механізмі, який дозволяє фагу “вирізати” себе з бактеріального геному та розпочати реплікацію.
По суті, ці віруси еволюціонували так, щоб назавжди залишитися в пастці всередині свого бактеріального господаря. Подальші випробування підтвердили, що генетичні зміни походили від самого фага, оскільки господар залишався незмінним, коли вірусні генетичні мутації були видалені. Ця частина дослідження надала перший прямий функціональний доказ того, що мутації всередині геному фага можуть назавжди придушити його здатність до реактивації.
На перший погляд, це здається контрпродуктивним навіть для мікроорганізму, де реплікація і, своєю чергою, генетичне виживання є рушійною силою. Однак такий стан дрімання також може бути стратегією виживання, зберігаючи бактерію стабільною з її реплікованою ДНК (хоча й майже без шансів на мутацію або еволюцію) щоразу, коли господар ділиться. Отже, тоді як деякі віруси активуються під впливом відповідних сполук, що виробляються в кишківнику з зовнішніх причин, таких як медикаменти, ці дрімаючі фаги просто еволюціонували, щоб стати генетичними “попутниками” всередині бактерій.
Неактивні або “одомашнені” фаги, однак, все ще можуть тонко формувати наше здоров’я кишківника. Навіть попри те, що вони більше не можуть реплікуватися, вірусні гени, вбудовані в бактеріальну ДНК, можуть впливати на поведінку цих мікробів – допомагаючи дружнім штамам процвітати або пригнічуючи шкідливі.
Майбутнє “віромної” терапії
Водночас активні фаги можуть одного дня бути використані для кращого формування мікробіому, націлюючись на шкідливі бактерії або доставляючи корисні гени до сприятливих штамів, які захищають від таких станів, як запальні захворювання кишківника (ЗЗК). Запальні захворювання кишківника – це група хронічних запальних станів, що вражають травний тракт, включаючи хворобу Крона та виразковий коліт. По суті, це відкриття може лягти в основу майбутніх терапевтичних стратегій, спрямованих на маніпулювання мікробіомом кишківника для поліпшення здоров’я людини.
Це грандіозне дослідження було результатом восьмирічної праці команд Університету Монаша та Інституту Хадсона, а також інших австралійських та міжнародних вчених-співробітників. Культивувавши колекцію кишкових фагів та бактеріальних господарів, вчені тепер мають конкретні об’єкти для вивчення та маніпулювання.
“Можливість вирощувати ці віруси дозволяє нам зрозуміти їхню функцію та надає можливість розробляти мікробіомні терапевтичні засоби для лікування захворювань, від запальних захворювань кишківника до раку”, – сказав доцент Сем Форстер з Інституту Хадсона. “Ця технологія також дає можливість розробляти пробіотичні штами з індивідуальними вірусними функціями”.
І оскільки команді вдалося успішно культивувати та охарактеризувати стільки бактеріальних вірусів, ці методи тепер уможливлюють інженерію фагів та пробіотиків для широкого спектра людських терапій.
“Ця робота закладає основу для майбутніх застосувань у синтетичній біології, біотехнології та мікробіомній терапії; це значний крок уперед у розшифровці вірусної “темної матерії” людського кишківника”, – додав Барр.
Результати цього визначного дослідження були опубліковані в журналі Nature – одному з найпрестижніших і найвпливовіших наукових видань світу.
