Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Журнал №191, август 2019
Журнал №70, июнь–август 2019
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука

"В микробиологии я пришелец": эпоха возрождения в открытии антибиотиков

Дарья Желнина
16 мая 2016
/upload/iblock/53a/53acad384c2093f1b4f6bb03b54b0a38.jpg
Абсолютное большинство микроорганизмов на нашей Земле никогда никем не были культивированы, и об их свойствах мы не знаем практически ничего. Редактор nat-geo.ru Дарья Желнина поговорила с ученым Славой Эпштейном, который рассказал о маленьком мешочке из полупроницаемых мембран – изобретении, способном открыть новые горизонты в разработке антибиотиков.
- Как вы пришли к микробиологии, почему стали этим заниматься? - Я не микробиолог. Вырос я - в научном смысле - в Московском университете, а после этого в аспирантуре в Институте океанологии Ширшова около станции метро "Профсоюзной". Тогда я не занимался микроорганизмами. И, пожалуй, то, что я делаю сегодня, мало связано с моей предыдущей работой. Когда я писал свою курсовую работу и кандидатскую, я погрузился в мир микробов. Тогда ко мне пришло осознание, что то, чем я занимаюсь, может быть важно и интересно, но лишь пяти людям на Земле. А микробы – пяти миллиардам. Никакого сравнения! Я начал сам себя обучать. Так что в микробиологии я пришелец, что плохо, поскольку многих вещей я просто не знаю. Но есть и преимущества, потому что у такого пришельца есть возможность посмотреть на старую проблему новыми глазами. Около 15-ти лет назад я познакомился с одной проблемой, о которой не знал до этого, и оказался захваченным ею полностью. Я говорю о том обстоятельстве, что абсолютное большинство микроорганизмов на нашей Земле никогда никем не были культивированы, и об их свойствах мы не знаем практически ничего. Зоологи пляшут от восторга, когда обнаруживают какой-то новый подвид, и я очень рад за них. Но здесь, в каждом горшке с землей, существует такое разнообразие жизни, которое превышает все, что мы знаем. Представьте себе – в одном горшке! Одним словом, существует море, океан новых видов микробов. А если существует океан, то есть биологическая новизна, которую мы не знаем, то есть новизна и химическая. Ученые сходятся во мнении, что сегодня культивирован лишь 1% существующих микроорганизмов. Если этот один процент может спасти человечество в виде антибиотиков, то что могут сделать 99%? Давайте я вам расскажу об одном мысленном эксперименте, который положил начало тому, чем я стал заниматься после этого в моей лаборатории. Представьте себе, что бы берете бактерию из почвы и сажаете ее на чашку Петри с какой-нибудь питательной средой. Представьте, что эта клетка выросла, поделилась и сформировала колонию. Разумеется, мы называем это культивированием. Теперь – другой эксперимент. Вы взяли ту же самую клетку и несете ее в лабораторию, чтобы посадить на чашку Петри. Но в последний момент вы поменяли свое решение и вернули эту клетку туда, откуда она приехала. Представьте себе, что вы никак не повредили эту клетку. Что она сделает, после того, как вы вернете ее в домик? Она станет расти и образует колонию точно так же, как она сделала в чашке Петри. Это тоже культивирование? С одной стороны, конечно, да: мы сделали так, что из клетки выросла колония. С другой стороны, это не так, поскольку результаты этого эксперимента недоступны и бессмысленны для нас. Мы не можем отделить колонию, которая выросла, от тех, которые там уже были. В практической жизни такое культивирование не имеет никакого значения. - Почему этот эксперимент был важен? - Проведя его, я понял, что работал в неправильном направлении. Я попытался сделать то, что все пытались сделать, – улучшить чашку Петри. Я пытался изменить способ культивирования, сделать его более приемлемым для микроорганизмов. Я решал задачу, которую не надо решать, потому что ее уже решила природа. Она содержит все вещества, необходимые для роста любого организма. Значит, там-то и надо растить! Проблема не в культивировании, а в том, как отделить результаты роста этой клетки от других колоний. - Каким образом вы смогли разрешить эту проблему? - Очень просто. Представьте, что вы идете в природу, берете клетку, приносите в лабораторию и не сажаете ее в чашку Петри, а помещаете в такой небольшой мешочек, который сделан из полупроницаемых мембран. У этих мембран есть крошечные дырочки, через которые клетка не может пройти, а молекулы могут. Итак, наша клеточка сидит в таком мешочке. И этот мешочек я кладу туда, откуда эту клетку взял. Клетка не может покинуть этот мешочек. Но химическая диффузия приведет к тому, что внутри ситуация будет такой же, как и вне мешочка. И эта клетка никогда не узнает, что она не в природе. Клетка начнет делиться и сформирует колонию. Все, что мне нужно сделать, – это подождать неделю-другую, вытащить этот мешочек, открыть его и получить колонию. Мне даже не надо знать, почему она выросла. Культивирование – дело природы, мне только нужно создать этот мешочек. - Из такого мешочка и появилось ваше изобретение iChip? - IChip – это идея. Ее можно претворить в жизнь самыми разными способами. Первый был маленькой пластиночкой со множеством дырочек. В каждую дырочку мы помещаем одну клетку, после чего берем мембрану, которая позволит химической диффузии совершаться, но не даст клетке путешествовать, и закрываем пластинку со всех сторон. Получается такой бутерброд, в котором порядка 400 клеток, каждая – в своей дырочке. Мы помещаем его туда, откуда пришли клетки. Такая пластинка ничем не отличается от мешочка, о котором я говорил. У меня есть и другие приборчики, например, слепок десны волонтера со вставленным в нее крошечным iChip. Мы берем пробу зубного налета и помещаем одну клетку из этой смеси в одну из крошечных дырочек в чипе. Все это возвращается в рот волонтера, где клетки имеют возможность расти, соприкасаясь именно с тем зубом, с которого мы их взяли. И таким образом мы можем культивировать организмы, которые растут во рту, но не растут на чашке Петри.
/upload/iblock/a0b/a0baa67badf06e2c22865bd9ae051e17.jpeg
из личного архива Славы Эпштейна
- Какое практическое значение имеет iChip, например, в фармакологии? - Общеизвестно, что открытие новых антибиотиков практически равно нулю. За последние 30 лет был открыт, по-моему, только один новый класс антибиотиков. Индустрия практически не создает ничего нового. Создается ощущение, что тот один процент микроорганизмов исчерпал себя. Идею культивирования микроорганизмов в их естественной среде запатентовал бостонский Северо-Восточный университет, в котором я работаю. На основе этого патента со своим коллегой Кимом Льюисом мы сформировали маленькую компанию Novobiotic Pharmaceuticals, которая лицензировала патент у моего университета. Уже около 12 лет мы используем разные методы для того, чтобы выращивать новые бактерии из почвы и искать в них антибиотики. Идея заключается в том, что если 1 процент может быть исчерпан, то остальные 99 – еще нет. Поэтому частота открытий из этих 99% будет намного выше, чем частота открытий из одного процента, которая практически равна нулю. За последние 10-12 лет в нашей коллекции набралось чуть больше 60000 новых – назовем их – видов. Все они были тщательно исследованы на их способность производить антибиотики. Из этих 60 тысяч ребята открыли 28 новых антибиотиков. Это не означает, что у нас есть 28 новых лекарств, потому что абсолютное большинство из них никогда не достигнет рынка, так как они окажутся токсичными для вас, для меня и для мышей. У нас есть 28 новых химических соединений со свойствами убивать других микробов. - Расскажите об этих новых антибиотиках. - Один из них – тейксобактин. У него есть несколько замечательных свойств. Самое главное: микробы – наши патогены – не могут выработать устойчивость к нему. Обычно антибиотик работает против молекулы или структуры в клетке. Например, это может быть какой-нибудь белок. Антибиотик проникает в клетку, садится на белок и изменяет его функции так, что он уже не может работать. Если этот белок принципиален для существования клетки, она умирает. И цель у антибиотика, как правило, одна. Устойчивость возникает тогда, когда в белке происходит мутация, не позволяющая антибиотику повредить его работе. Такие мутации происходят с определенной частотой. Если они происходят часто - устойчивость возникает быстро. Если редко, то для возникновения устойчивости требуется много лет, но она в любом случает возникает. А теперь представьте, что ваш антибиотик нацелен одновременно на две молекулы. Вероятность мутации становится намного ниже. Если устойчивость к ванкомицину, работающему против одной молекулы, заняла 30 лет, то устойчивость к нацеленному на две молекулы тейксобактину может занять 900 лет! Поэтому в лаборатории мы просто не способны вырастить штамм, устойчивый к этому антибиотику. В этом его принципиальное отличие.
/upload/iblock/107/10788ba886c17d4d32f0cf4d56d42d46.jpeg
из личного архива Славы Эпштейна
- С чем борется тейксобактин? - Существуют разные антибиотики. Broad–spectrum antibiotics убивают практически всех бактерий на Земле. Тейксобактин - это narrow spectrum antibiotic. Он не убивает всех, но многих. Например, сибирскую язву, что довольно важно, поскольку это заболевание является одним из тех, которые, скорее всего, будут использовать террористы. Тейксобактин очень хорошо работает в мышах, вылечивая их от туберкулеза, псевдомембранозного колита (тяжёлого инфекционного заболевания прямой кишки), пневмонии, менингита, остеомиелита, эндокардита, отита, синусита и других. Но нужно понимать, что мы не перешли к людям, и мы не перейдем к ним еще через год или два. Когда же это произойдет, антибиотик может провалиться немедленно, потому что он окажется токсичным для человека, станет оказывать плохое воздействие на почки - может произойти все, что угодно. Вероятность того, что он станет настоящим лекарством, разумеется, есть, но она далеко не стопроцентна. Поэтому очень трудно его обсуждать как лекарство. Его можно обсуждать как интересную молекулу. - Расскажите о проекте “Гулливер” и о том, как он будет работать на Марсе. - “Гулливер” существует только в виде названия. Это совершенно новая идея, и мы пытаемся претворить ее на практике, но самого “Гулливера” еще нет. Дело в том, что все способы выращивания микроорганизмов - старые и новые, традиционные и нет, в "мешочке" или в чашке Петри - объединяет одно качество, а именно: для того, чтобы их использовать, требуется микробиолог. Должен быть человек, который возьмет пробу почвы, выберет из них бактерии, поставит их в iChip или посадит на чашку Петри. Поскольку это требование абсолютно, то ни один из этих способов не может быть использован на Марсе или на Европе (спутнике Юпитера), потому что там нет микробиолога, и мы не собираемся его туда посылать в ближайшее время. Я долго думал о том, как изменить способ культивирования таким образом, чтобы присутствие микробиолога не было необходимо. Это, естественно, опасная вещь, поскольку если вы можете вырастить микроорганизм и изучить его свойства без микробиолога, тогда я сам потеряю работу. - Как устроен “Гулливер”? - Давайте вернемся к моему мешочку с пористой мембраной. Все дырочки в нем порядка 20-30 нанометров - одной десятой размера бактерии. Но этом мешочке есть еще одно отверстие размером в один микрон. Когда я опускаю этот мешочек, например, в море или почву, он оказывается окруженным микроорганизмами, которые там живут. Какая-то бактерия оказывается рядом с отверстием в один микрон и через него может проникнуть внутрь. Скорее всего, она не сможет проникнуть туда полностью. Она застопорится и начнет размножаться. Возникнет цепочка, которая в конечном итоге проникнет внутрь “Гулливера” и сформирует там колонию. Трюк заключается в том, что когда бактерия проникает внутрь, она своим телом блокирует вход, и больше туда никто не может проникнуть. Она может размножаться внутрь и формировать чистую культуру. Понимаете, что микробиолог не требуется для этого? Вы можете положить такой мешочек в коробочку, поехать в Антарктиду и вырастить микроорганизмы там в отсутствии какой бы то ни было микробиологической лаборатории. Или вы можете послать его на Марс, бросить его на почву планеты и посмотреть, вырастет ли внутри кто-нибудь. Теперь представьте, что мы внутрь этого мешочка заранее встроим крошечные сенсоры. Один из них будет регистрировать концентрацию кислорода. Второй - концентрацию CO2. Третий - концентрацию нитратов или фосфатов. Если организм растет, то концентрация кислорода идет вниз, а концентрация CO2 идет вверх . Если он потребляет нитраты, значит, концентрация нитратов будет уменьшаться. Все эти сенсоры выдадут вам информацию о том, как микроорганизм растет и что ему требуется. И все эти сенсоры будут посылать информацию на телефон. Поэтому вы можете отдыхать на яхте на Багамах, а информация о культивировании будет происходить автоматически, и исследование микроорганизма будет тоже происходить автоматически. Микробиолог не будет нужен. Ученый понадобится только для того, чтобы собрать данные. - Есть ли у вас профессиональные мечты? - Я хочу довести до ума "Гулливера". Мне очень хотелось бы верить, что при мне или без меня “Гулливер” или что-нибудь похожее будет использовано на Марсе или Европе и откроет там жизнь. И даже позволит изучать её свойства. Я бы очень хотел в это верить. Сейчас мы можем вырастить довольно большое количество микроорганизмов, которые прежде были недоступны. Но мы по-прежнему не знаем, почему они не растут на чашке Петри. Мы знаем, где их вырастить, мы знаем, как их вырастить, но мы не знаем, что такое содержится в природе, чего нет в чашке Петри. В чем заключается тайна? Мне бы хотелось разрешить эту проблему раз и навсегда.
/upload/iblock/674/6747afbb19f7820e129ab6300f6ad022.jpeg
из личного архива Славы Эпштейна
Мечты выходят и за пределы биологии. Я хочу понять, почему основные цивилизации - Египет, Месопотамия - возникли там, где они возникли. Существуют очень хорошие книжки по этому поводу, но, с моей точки зрения, они не объясняют этого взрывообразного возникновения цивилизаций в этих конкретных местах и их отсутствия в других местах, которые географически и по климату выглядят довольно похоже. Я очень хочу понять, почему история развивалась так, как она развивалась. Я много для этого путешествую, особенно по Африке. Живу с племенами, охочусь с ними и собираю мед. В моей коллекции - копья, стрелы, одежда и предметы быта самых простых племен. Это не сувениры, которые можно купить, а подарки людей, с которыми я жил; это то, чем они пользовались за день до того, как я уехал. Я посвящаю этому довольно много времени, души, сил и денег, но, разумеется, к биологии это не имеет никакого отношения.