Человечество приблизилось к созданию непобедимого антибиотика

В XX веке микроорганизмы стали одним из главных источников лекарств: антикоагулянтов, химиотерапии, препаратов, которые используют при пересадке органов. Все известные на сегодня антибиотики были созданы благодаря знаниям только об 1% микробов.

Сегодня в медицинских кругах идут дискуссии о кризисе: бактерии становятся невосприимчивыми к известным антибиотикам, а фармацевтические компании больше не продуцируют новые препараты. Если все останется без изменений, то медицина рискует возвратиться в Средневековье. Из-за этой угрозы необходимо подробно исследовать новые виды микробов.

Одним из главных борцов против стагнации медицины является американский микробиолог Слава Эпштейн. Именно он смог придумать способ отыскать необходимые микробы и тщательно их проанализировать. Работа Эпштейна может стать прорывов в рамках борьбы человечества против вредных микроорганизмов.

Слава Эпштейн может совершить революцию в медицинеСлава Эпштейн может совершить революцию в медицине

Эпштейн был студентом Московского государственного университета, где штудировал экологию и морскую биологию. Он изучал простейшие организмы в Белом море, а затем начал заниматься микробиологией. Молодой студент сблизился с диссидентами, и это стало преградой на пути к научной карьере в СССР. Ученому приходилось изготавливать гипсовые кулоны и продавать их на московских рынках. «Вечером мы приходили домой и доставали деньги из чемоданов», – делится воспоминаниями Эпштейн.

В 1989 году ученому разрешили покинуть страну. Вместе с женой, двумя детьми и кошкой он перебрался в американский штат Массачусетс, где самостоятельно отремонтировал съемную квартиру в качестве части оплаты за аренду. Эпштейн не владел английским, поэтому ему было трудно найти работу, связанную с научной деятельностью. Первые заработки доктора наук были отдаленными от исследований, лишь со временем Эпштейн принялся искать неоплачиваемые должности при исследовательских центрах. В итоге он оказался в Северо-Восточном университете Бостона, где и по сей день числится на должности профессора.

Почти сразу после эмиграции Слава Эпштейн начал интересоваться важной для микробиологии проблемой – большой аномалией подсчета чашечным методом (Great Plate Count Anomaly). Дело в том, что львиная доля размещенных в чашке Петри микробов не формируют колоний, лишая ученых возможности проанализировать их существование, взаимодействие, поведение в различных ситуациях. В течение десятков лет исследователи подбирали среду, в которой микробы начали бы активно размножаться. Для этого ученые помещали их в агар, изменяли уровень кислорода, добавляли в среду мочу, кровь и даже бульон из курицы.

Незаметные детали имеют в микробиологии определяющее значение. К примеру, бактерии, которые живут под глазами фонареглазовых рыб в Красном море, никогда не дадут о себе знать до тех пор, пока не создадут колонию из 10 млн клеток. Узнав об этом факте, Эпштейн понял, что не стоит ждать от одиночных бактерий быстрого размножения в лабораторных условиях, если для них такую важную роль играет экология. Ученый осознал, что бактерии более охотно будут размножаться в привычных условиях.

Однако привычные для бактерий условия создают значительное препятствие для исследований – колонии ассимилируют с внешней средой, вследствие чего теряется чистота эксперимента. Исследователи в течение многих лет пытались найти возможность для оптимизации условий обитания бактерий в чашке Петри.

Слава Эпштейн избрал другой вектор. Он предположил, что лучше заняться отделением избранной для исследования колонии от ее среды, чем пытаться вырастить микроорганизмы в искусственных условиях. Так можно было существенно упростить эксперименты, поскольку исследователи могли следить за обычным ритмом жизни бактерий из развитых колониях, возникших в комфортной для них среде. Ученый начал активно работать над этой проблемой.

Профессор Эпштейн заа работойПрофессор Эпштейн за работой

Вместе с коллегой Кимом Льюисом Эпштейн начал искать возможности для выращивания бактерий в природных условиях, при этом сохранив их чистоту. Поначалу биологи применяли мембраны из проницаемого материала, которые используют для разделения белков и других соединений. Исследователи потерпели неудачу: бактерии посчитали мембрану съедобной и с удовольствием прокладывали путь наружу. Позже ученые начали использовать поликарбонатную мембрану с рамкой из заклепок и пластинок вокруг нее. Но и эта попытка потерпела фиаско.

В конце концов, Эпштейну пришла в голову мысль воспользоваться пластиной из металла, отверстия которой он предложил заполнить агаром и поместить туда бактерии. Чтобы микроорганизмы не прорвались наружу, пластина с обеих сторон была изолирована мембранами. Эту систему разместили в грунте массачусетского залива, и через пару недель в ней начали возникать новые колонии. «Все наши смелые ожидания воплотились в жизнь», – отмечает Эпштейн.

Ученый сознается, что поначалу его, как истинного исследователя, беспокоила только теоретическая задача, связанная с большой аномалией. Но когда Льюис начал вести переговоры с фармацевтическими компаниями, пытающимися разработать новые препараты, Эпштейн понял, что результаты их исследований могут получить масштабное применение на практике.

Только после того как Льюис начал встречаться с представителями фармацевтической индустрии, которые отчаянно стремились найти новые антибиотики, Эпштейн осознал, насколько широким будет практическое применение его идеи.

В борьбе антибиотиков и микробов, которая разгорелась в середине ХХ века, к 80-м годам отчетливое преимущество принадлежало микробам, что не сулило ничего хорошего для медицины. Количество новых антибиотиков постоянно уменьшалось, а на их открытие уходило все больше средств. В результате многие фармацевтические корпорации приостановили свои проекты в этом направлении.

В связи с отсутствием новых лекарств в медицине началось улучшение старых. Впрочем, бактерии выработали иммунитет к большей части этих препаратов, поэтому сегодня ученые боятся, что в недалеком будущем известные методы борьбы против инфекций станут неэффективными. Сложно предсказать, как будет выглядеть жизнь в мире с бесполезными антибиотиками, но очевидно, что ситуация будет весьма сложной. Британские ученые подсчитали, что к 2050 году из-за устойчивых к антибиотикам микроорганизмов ежегодно будут умирать около 10 млн человек. Остановить этот процесс не смогут никакие передовые достижения медицины.

Осознав ценность своего открытия и дальнейших его перспектив, Эпштейн и Льюис основали в 2003 году компанию NovoBiotic Pharmaceuticals. Интересно, что сами микробиологи могут навещать офис компании лишь раз в неделю – такие условия поставил их университет. В стенах компании дальше разрабатывают приспособления для размножения бактерий в привычных для них условиях. Металлическая пластина, которая давала результаты, но не отличалась особой эффективностью (приспособление было намного больше, чем помещенная в него колония), была модифицирована. Специалисты NovoBiotic создали пластиковый чип с 384 отверстиями, каждое из которых выполняет функцию изолированного пространства для отдельной бактерии. Приспособление получило название iChip.

Чтобы доходчиво объяснить суть своего эксперимента, Эпштейн описывает конструкцию как «мешочек», созданный из полупроницаемой мембраны. Ее поры были очень маленькими для того, чтобы через них могла просочиться бактерия, но в то же время они позволяли проникнуть молекулам из внешней среды. Вследствие химической диффузии бактерия попадала в привычные для нее условия и не обращала внимания на то, что находится в «мешочке». Клетка приступала к делению, а исследователи через определенный период времени доставали «мешочек» из земли и находили внутри процветающую колонию.slava-epstein

Для того чтобы избежать разбирательств из-за использования земель, принадлежащих государству, NovoBiotic посредством социальных сетей обращается за помощью к частным лицам.

Наиболее известное открытие компания сделала по воле случая. Пять лет назад сотрудник лаборатории нашел в почве штата Мэн колонию необычных бактерий, которые оказали летальное воздействие на ряд патогенов – туберкулез, сибирскую язву, пневмококка и стафилококка. Это было важное, но не главное открытие. Все самое интересное началось, когда исследователи попытались обнаружить выжившие клетки патогенов, но не нашли ни одной из них. Погибли абсолютно все микробы, которые встретились с бактериями из Мэна. Однако ученые обнаружили, что смертельный эффект не наблюдался в клетках млекопитающих, из-за чего они пребывали в смятении, так и не установив причину данного исключения.

Когда эксперты отбросили все подходящие объяснения, у них осталось только наиболее поразительное: антибиотик демонстрировал иммунитет к устойчивости.

«Лишь после этого я осознал, что именно мы обнаружили», – вспоминает Льюис.

Новая бактерия получила название Eleftheria terrae (от греческого eleftheria – «свобода» и латинского terra – «земля»). Разработанный на ее основе антибиотик называется теиксобактин. В прошлом году в издании Nature было обнародовано описание препарата, защищенного от устойчивости. Как говорят эксперты NovoBiotic, они вынуждены были пойти на это из-за отсутствия денег на разработку препарата.

Статья, как и iChip, вызвала полярные реакции. Кто-то встречал достижения ученых с восхищением, кто-то высказывал скепсис. Многие лаборатории принялись проверять результаты исследований NovoBiotic. Впрочем, Льюис говорит, что о погрешностях не может идти никакой речи. Секрет новой бактерии заключается в том, что она принадлежит к протеобактериям и отличается крепкой внешней мембраной, защищающей ее от собственного состава, убивающего другие бактерии. Именно так выглядит защитный механизм, которым не могут похвастаться туберкулез, энтерококк или стафилококк.

Небольшая команда компании NovoBiotic должна справиться со сложным заданием. Если теиксобактин докажет свою эффективность против большинства патогенов, останется ряд бактерий, на которые его действие не распространяется.

К примеру, он не действует на E. coli, имеющую собственную защитную оболочку. В компании говорят, что для создания антибиотика против кишечной палочки и других похожих патогенов необходимо в десять раз увеличить нынешний бюджет компании, составляющий 3 млн долларов.

«Крупные фармакологические компании покинули бизнес, – отмечают ученые. – Они все понимают. Очень сложно не только обнаружить новые бактерии, но и провести лабораторные тесты. Если вы и выйдете на рынок, то покупатели не очень охотно соглашаются платить за антибиотики». И все же Эпштейн не верит в то, что бактерии окажутся умнее человека. Микробиолог говорит, что ученые смогут решить эту проблему: «Я не верю – я знаю, что это случится», – убежден Эпштейн.

После исследования крошечного фрагмента колонии неизвестных микробов команда из 15 исследователей смогла оперативно разработать эффективное лекарство, над созданием которого десятилетиями ломали головы большие фармакологические корпорации. Учитывая этот факт, будущее теиксобактина отходит на второй план. Не так важно, сколько лет препарат будет работать эффективно и смогут ли микробы стать невосприимчивыми к нему. Главное достижение заключается в том, что он открывает множество перспектив.

Биохимик из Университета Макмастера Джерри Райт говорит: «Если данное открытие – не фантастическое везение, то следующие несколько лет нужно заняться поиском новых соединений. Никто не знает, что мы сможем обнаружить».

Читайте также:

«Супермикроб»: в США впервые обнаружили устойчивую к антибиотикам бактерию

Ученые нашли ещё одно пагубное свойство антибиотиков