В 1963 году этим институтом было проведено самое масштабное исследование в истории, целью которого было выяснить последствия приема человеком фагов. В исследовании участвовало 30 796 детей из Тбилиси. Раз в неделю около половины детей принимали пилюлю, содержащую фаги, борющихся с кишечной палочкой. Вторая половина получала пустышку, наполненную сахаром. Чтобы минимизировать эффект воздействия окружающей среды, ученые давали пилюли с фагами детям, живущим по одной стороне каждой из улиц, а пилюлю с сахаром - детям, живущим на другой ее стороне. Ученые наблюдали за детьми 109 дней. Среди детей, которые получали пустышку, дизентерией заболели 6,7 из тысячи. Среди детей, принимавших фагов, это число упало до 1,8 на тысячу. Другими словами, прием фагов снижал шанс заболевания у детей на 3,8.
За пределами Грузии лишь немногие узнали о таких впечатляющих результатах, и все благодаря режиму секретности Советского государства. Только после падения СССР в 1989 году информация начала просачиваться. Эти данные вдохновили небольшую, но целеустремленную группу западных ученых провести исследования фаговой терапии и бросить вызов укоренившемуся на Западе нежеланию ее применять.
Эти защитники фагов считают, что не нужно волноваться по поводу использования фагов в лекарствах. В конце концов, фаги обитают во многих продуктах: йогурте, соленьях и салями. Фаги живут и в наших телах, и это неудивительно, если учесть, что каждый из нас несет в себе около ста триллионов бактерий, многие из которых являются носителями для различных видов фагов. Каждый день эти фаги убивают множество бактерий внутри нас без вреда для нашего здоровья.
Аргументом противников фагов было то, что их воздействие слишком узконаправленно. Каждый вид фагов может атаковать один вид бактерий, в то время как антибиотик поражает множество бактерий разом. Однако сейчас становится ясно, что фаготерапия способна бороться со множеством инфекции. Врачам необходимо лишь смешать несколько видов фагов в один "коктейль". Ученые Института им. Элиавы разработали перевязочный материал, в котором содержались шесть видов фагов, поражающих шесть основных инфекций, опасных для открытых ран.
Скептики говорили, что даже если удастся выработать эффективную фаготерапию, то эволюция вскоре сделает ее бесполезной. В 40-х годах XX века микробиологи Сальвадор Лурия (Salvador Luria) и Макс Делбрук (Max Delbruck) наблюдали рост невосприимчивости бактерий к фагам. Когда они подсадили в посуду к кишечной палочке фагов, то большинство бактерий погибло, однако некоторым удалось выжить, и они стали началом для новых колоний. Дальнейшие исследования выявили, что эти выжившие несли в себе мутированные гены, дающие им защиту от фагов. Невосприимчивые бактерии передали свои гены потомкам. Критики фаготерапии утверждали, что она только подстегнет эволюцию невосприимчивых к фагам бактерий, что вызовет резкий скачок инфекций.
Защитники фаготерапии отвечали на это тем, что фаги тоже способны эволюционировать. При размножении они могут приобретать мутации, которые дадут им новые пути для заражения устойчивых бактерий. Ученые могут даже помочь фагам в этом. Они могут среди тысяч видов фагов найти таких, которые станут наилучшим средством в борьбе с определенной инфекцией. Они могут даже, немного повозившись с ДНК, создать фагов, способных убивать по-новому.
В 2008 году Джеймс Коллинз (James Collins), биолог из Бостонского университета, и Тим Лю (Tim Lu) из Массачусетского Технологического университета, опубликовали описание первого вида фагов, специально созданного для убийства бактерий. Этот вид был особенно эффективен благодаря тому, что он атаковал эластичные оболочки, окутывающие бактерий, называемые биопленками. Биопленка становится непреодолимой преградой как для антибиотиков, так и для фагов, не способных пробиться внутрь через ее толстый слой. Коллинз и Лю в научной литературе начали поиски гена, который мог бы позволить фагам лучше разрушать биопленку. В самих бактериях содержатся энзимы, позволяющие им разрушать биопленку и вырываться наружу, когда приходит время заражать новые организмы. Коллинз и Лю синтезировали ген, отвечающий за выработку одного из таких энзимов, и вживили его фагам. Затем они настроили ДНК фагов таким образом, чтобы они начинали производство большего количества энзима при проникновении в микроб-носитель. Когда они опробовали фаги на биопленке кишечной палочки, фаги проникли в бактерии в верхнем слое биопленки и заставили их производить как новых фагов, так и большее количество энзима. Инфицированные микробы лопались, выпуская энзимы, разрушающие более глубинные слои биопленки, и позволяя фагам заражать содержащиеся в ней бактерии. Сконструированные таким образом фаги способны убить 99,997% бактерий кишечной палочки в биопленке, что в сотни раз превосходит результаты, показываемые обычными фагами.
В то время как Коллинз и другие ученые изобретают способы сделать фаги более смертоносными для бактерий, антибиотики теряют свои лавры. Врачи борются со всевозрастающим количеством бактерий, невосприимчивых ко всем имеющимся сегодня антибиотикам. Иногда врачам приходится полагаться лишь на сильнодействующие лекарства как "последнее средство", обладающие сильными побочными эффектами. Однако есть все основания полагать, что бактерии смогут эволюционировать и станут невосприимчивы и к таким лекарствам. Ученые бьются над разработкой новых антибиотиков, но могут пройти десятилетия, пока препарат из лаборатории попадет на полки аптек. Может, и сложно представить, каким был мир до антибиотиков, но теперь нам нужно представлять, каким будет мир, в котором антибиотики будут не единственными борцами с инфекцией. Сейчас, когда прошло уже более 90 лет с момента открытия Д’Эрелем бактериофагов, они, кажется, готовы стать частью современной медицины.
Зараженный океан
Морские вирусы-бактериофаги
Некоторые великие открытия вначале напоминают чудовищные ошибки.
В 1986 году выпускница Нью-Йоркского государственного университета Лита Проктор (Lita Proctor) решила узнать, как много вирусов содержится в морской воде. В то время считалось, что шанс обнаружить их там почти отсутствует. Те немногие исследователи, кто тратил свое время на их поиски, практически не находили их там. Большинство экспертов считали, что вирусы, обнаруженные в океане, попали туда из канализации и других источников, находящихся на суше.
Через годы несколько ученых собрали доказательства, не укладывавшиеся в данную теорию. Океанолог Джон Сиберт (John Sieburth) опубликовал снимок морской бактерии и вырывающихся из нее вирусов. Проктор решила, что стоит начать их систематический поиск. Она путешествовала по Карибскому и Саргассовому морям, собирая образцы воды. Когда Проктор взглянула на собранные ею образцы через электронный микроскоп, ее взгляду предстал целый мир вирусов. Некоторые держались отдельно, в то время как другие находились внутри своих бактерий-носителей.
Основываясь на количестве вирусов, обнаруженных ею в собранных образцах, Проктор предположила, что каждый литр морской воды содержит около ста миллиардов вирусов.
Цифры, полученные Проктор, были несоизмеримы с результатами предыдущих исследований. Немногие ученые бы удивились, узнав, что она по ошибке добавила пару лишних нулей. Но когда другие ученые проводили собственные исследования, которые привели к схожим результатам, то они также пришли к мнению, что в океане живет около 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.
Сложно найти что-то, с чем можно сравнить такое невероятное число. На каждого обитателя океана приходится по пятнадцать вирусов. Если положить все вирусы океана на чашу весов, то на другой можно разместить семьдесят пять миллионов голубых китов. Если же выстроить все их в одну линию, то она протянется через шестьдесят ближайших галактик.
Все эти цифры не означают, что купание в океане граничит с самоубийством. Только 1/60 часть вирусов в океане способна инфицировать человека. Некоторые морские вирусы инфицируют рыб и других морских животных, но наиболее частой их добычей являются микробы. Микробов хоть и не видно невооруженным взглядом, но они по массе превосходят всех живущих в океане китов, все кораллы и остальные формы океанической жизни. Подобно тому как бактерии в нашем организме подвергаются нападению фагов, морские микробы атакуются морскими вирусами-бактериофагами (морскими фагами).
Когда Феликс Д’Эрель впервые обнаружил бактериофаги в организмах французских солдат в 1917 году, многие ученые отказывались верить в их существование. Сто лет спустя выяснилось, что Д’Эрель обнаружил самую распространенную форму жизни на Земле. С момента обнаружения Проктор изобилия морских вирусов ученые продолжают делать открытия, подтверждающие их колоссальное влияние на нашу планету. Морские фаги влияют на экологию Мирового океана. Они вносят свой вклад в мировой климат. Кроме того, они оказывали решающее влияние на ход эволюции на протяжении миллиардов лет. Другими словами, они играют роль цементирующего вещества в биосфере.
Сильной стороной морских вирусов является их высокая способность к заражению. За одну секунду три триллиона морских вирусов находят своих носителей. Каждый день вирусы убивают около половины всех бактерий в Мировом океане. Их убийственная эффективность держит под контролем размножение их носителей, и люди в конечном итоге часто оказываются в выигрышном положении. Холера, например, вызывается передающимися с водой бактериями вибрионами (Vibrio). Однако вибрионы являются носителями для некоторых видов морских фагов. Когда численность вибрионов резко возрастает и случается вспышка холеры, фаги тоже начинают размножаться быстрее. Популяция вирусов растет так быстро, что они убивают бактерий скорее, чем те могут размножаться. Бум размножения бактерий затихает, и эпидемия холеры вместе с ним.
Остановка вспышек холеры на самом деле один из самых незначительных эффектов, вызываемых воздействием морских вирусов. Количество убиваемых ими микробов настолько велико, что вирусы могут влиять на состояние атмосферы Земли. Это становится возможным из-за того, что микробы являются величайшими геоинженерами Земли. Водоросли и фотосинтезирующие бактерии вырабатывают примерно половину кислорода, которым мы дышим. Водоросли также выделяют газ диметилсульфид, который поднимается вверх и образует облака. Облака отражают поступающий на планету солнечный свет, охлаждая Землю. Микробы также поглощают огромное количество углекислого газа, задерживающего тепло в атмосфере. Некоторые микробы выпускают в атмосферу углекислый газ как продукт своей жизнедеятельности, нагревая нашу планету. Водоросли и фототрофные бактерии, с другой стороны, поглощают в процессе роста углекислый газ, охлаждая ее. Когда микробы в океане погибают, содержащийся в них углерод оседает на океанском дне. Миллионы лет этот "снег" из микробов может постепенно понижать температуру на планете. Более того, мертвая органика имеет свойство превращаться в камень. Белые скалы Дувра, например, состоят из известняковых панцирей одноклеточных кокколитофоридов.
Каждый день вирусы убивают триллионы этих геоинженеров. Когда ставшие их жертвой микробы погибают, их оболочка разрывается, и они выделяют миллиарды тонн углерода. Часть освободившегося углерода играет роль "оплодотворителя", стимулирующего рост других микробов, а другая часть оседает на дне океана. Молекулы внутри клетки клейкие, и когда вирус вспарывает оболочку носителя, освобождающиеся клейкие молекулы могут захватывать молекулы углерода и утягивать их на дно, вызывая подводную "метель".
Океанические вирусы поражают не только своим числом, но и своим разнообразием. Гены человека и гены акулы очень похожи - настолько похожи, что ученым удается найти аналог большинства генов человека в геноме акулы. Генетическое строение морских вирусов, с другой стороны, ни на что не похоже. Во время исследования вирусов в Северном Ледовитом океане, Мексиканском заливе, возле Бермудских островов и в Северной Атлантике ученые идентифицировали около 1 800 000 вирусных генов. Только 10% их генов имеют аналоги в геноме бактерий, животных, растений или даже других вирусов. Остальные 90% были совершенно неизвестны науке. В 200 литрах морской воды ученые обычно находят 5 000 генетически разнообразных вирусов. В килограмме морских отложений может быть до миллиона видов вирусов.
Одной из предпосылок существования такого разнообразия морских вирусов является обилие носителей. Каждый род вирусов должен приспосабливаться для того, чтобы проникнуть в организм носителя. Однако разнообразие может появиться и более мирным путем. Умеренные фаги постепенно проникают в ДНК своего носителя. Размножаясь, носители воспроизводят и ДНК вирусов. Пока ДНК умеренного фага остается невредимой, она имеет возможность вырваться из организма своего носителя во время его стрессового состояния. Но по мере смены поколений ДНК фага мутирует и теряет способность высвобождаться из генома носителя, становясь его неотъемлемой частью.
Воспроизводя вирусы, клетка-носитель может случайно добавить им собственных генов. Неся в себе гены бывших носителей, вирусы начинают вносить их вместе с собственными в ДНК новых носителей. По приблизительным расчетам вирусы переносят триллион триллионов генов от генома к геному ежегодно.
Иногда "позаимствованные" гены делают носителя вируса более приспособленным в процессе развития и размножения. Успешность носителя автоматически означает успешность вируса. В то время как одни вирусы убивают вибрионов, другие несут гены бактерий, выделяющих токсины, вызывающие диарею во время заражения холерой. Заражение несущими токсины вирусами может стать причиной новых вспышек холеры.
Благодаря заимствованию генов вирусы могут отвечать за выработку значительной части кислорода на Земле.
Распространенный вид океанических бактерий, синехококков, отвечает за четверть происходящего на Земле фотосинтеза. Изучая ДНК этих бактерий, ученые обнаружили, что их способность к фотосинтезу обусловлена позаимствованными у вирусов белками. Ученые нашли даже свободно живущие вирусы, обладающие фотосинтетическими генами, находящиеся в поисках новых носителей. Согласно примерным подсчетам, 10% всего фотосинтеза на Земле происходит благодаря генам вирусов. Вдохните десять раз, и один из этих вдохов будет пожалован нам вирусами.
Циркуляция генов оказала огромное воздействие на существование жизни на Земле. Жизнь, в конце концов, зародилась в океане. Старейшими следами существования вирусов на Земле являются окаменелости морских микробов, датируемые 3 500 000 000 годами до н. э. В океане около 2 миллиардов лет назад появились первые многоклеточные организмы. Наши далекие предки выползли на сушу только 400 тысяч лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых останков, но они оставляют след в геноме своих носителей. Эти следы доказывают существование вирусов на протяжении миллиардов лет.
Ученые могут отслеживать историю генов, сравнивая геномы видов, произошедших в далеком прошлом от общего предка. Это сравнение может, например, выявить гены, переданные древним вирусом своему носителю. Ученые выяснили, что геномы всех живых организмов содержат сотни тысяч генов, переносимых вирусами. Как бы сильно ученые ни углублялись в историю жизни на Земле, они всегда обнаруживали переносимые гены. Хотя Дарвин и представлял себе историю жизни в виде дерева, история генов больше напоминает шумную торговую сеть, имеющую историю длиной в миллиарды лет.
Наши внутренние паразиты
Эндогенные ретровирусы
Идея о том, что гены носителей могли зародиться в вирусах, кажется из-за своей странности почти философской. Мы привыкли считать свой геном основой нашей личности. Мы знаем, кто является нашими биологическими родителями, потому что они дали нам свою ДНК. В нашей ДНК содержится не только информация о цвете кожи или предрасположенности к диабету. В ней заложена вся наша природа. Вот почему идея о клонировании так противоречит нашей натуре - никто не должен пользоваться "подержанными" генами. Но если большинство генов попало в организм при посредничестве вирусов, то можно ли считать его таким уникальным? Или каждый из нас является всего лишь мешаниной генов, собранных вместе в процессе эволюции? Это все равно, что представить, будто мир наполнен монстрами-гибридами, а чистые линии давно размылись.
За многие десятилетия микробиологи уже привыкли замечать "следы" вирусов у многих исследуемых ими микробов. Пока микробы были единственными живыми организмами, гены которых, очевидно, были заимствованы у вирусов, мы могли закрывать глаза на этот факт, считая его всего лишь удачным стечением обстоятельств, характерным только для "низших" форм жизни. Однако теперь мы уже не можем успокаивать себя подобным образом. Если мы всмотримся в собственный геном, то обнаружим следы вирусов. Тысяч вирусов.
Нам нужно сказать спасибо рогатому кролику, так как именно он открыл нам глаза. Миф о рогатом кролике был одной из подсказок, которая привела вирусологов к осознанию того, что некоторые вирусы могут стать причиной возникновения рака. В 60-х годах прошлого столетия одним из наиболее пристально изучаемых вирусов, вызывающих рак, был птичий вирус лейкоза (avian leukosis virus). В то время вирус с большой скоростью распространялся по куриным фермам и угрожал всему птицеводству. Ученые выяснили, что этот вирус относится к группе так называемых ретровирусов. Ретровирусы внедряют свой генетический материал в ДНК клетки-носителя. Когда клетка делится, она копирует ДНК вируса вместе со своим. В некоторых условиях клетка вынуждена производить вирусы со всеми их генами и белковой оболочкой, чтобы они могли выбраться наружу и инфицировать другие клетки. Ретровирусы иногда превращают клетки в раковые, если их генетический материал попадает в неправильное место генома клетки-носителя. У ретровирусов есть особые "рубильники", которые заставляют клетку производить белки согласно расположенным по соседству генам. Иногда такие "рубильники" включают гены носителя, которые должны находиться в подавленном состоянии и в результате вызывают рак.
Птичий вирус лейкоза оказался очень странным ретровирусом. В то время ученые проверяли наличие вируса, обследуя кровь курицы на предмет белков вируса. Иногда они обнаруживали белки птичьего вируса лейкоза у совершенно здоровых птиц, которые никогда не заболевали раком. Что еще более странно, у птиц, несущих в себе вирусные белки, могли появляться здоровые цыплята, которые также обладали этими белками.