Колонии шигелл начали расти, но через несколько часов Д’Эрель заметил странные разрывы, появлявшиеся в этих колониях. Он взял пробы из этих разрывов и смешал их с новыми образцами шигелл. В чашках он увидел те же разрывы. Д’Эрель заключил, что эти разрывы были полем боя, где вирусы убивали бактерий и оставляли позади их прозрачные трупы. Ученый считал открытие настолько сенсационным, что обнаруженные им вирусы получили собственное названия. Он окрестил их bacteriophages (бактериофаги), что означает «поедающие бактерий». Сегодня их сокращенно называют фагами.
Сама идея существования вирусов, истребляющих бактерии, была настолько странной, что некоторые ученые не могли в нее поверить. Жюль Борде (Jules Bordet), французский иммунолог, получивший Нобелевскую премию в 1919 году, стал ярым оппонентом Д’Эреля, так как ему не удалось лично обнаружить фагов. Вместо шигелл Борде использовал безвредный штамм кишечной палочки (Escherichia coli). Он пропустил раствор, содержащий кишечную палочку, через очень мелкий фильтр, а затем смешал отфильтрованный раствор со вторым образцом кишечной палочки. Содержащиеся во втором образце палочки погибли, в точности как в эксперименте Д’Эреля. Но затем Борде решил посмотреть, что получится, если смешать отфильтрованный раствор с первым образцом кишечной палочки, тем, который он фильтровал в первом эксперименте. К его удивлению, кишечная палочка в первом образце оказалась невосприимчива. Ворде решил, что его неудавшаяся попытка свидетельствует о том, что отфильтрованный раствор не содержит фагов. Вместо этого, думал он, такой раствор содержал белок, производимый первой кишечной палочкой. Белок оказался токсичен для других бактерий, но не для тех, которые его производили.
Д’Эрель защищался, Борде контратаковал, и спор растянулся на годы. Он продолжался до 40-х годов, когда ученые смогли наглядно подтвердить, что Д’Эрель был прав. К тому времени инженеры создали электронные микроскопы, мощность которых позволяла рассмотреть вирусы. Когда они смешали убивающий бактерий раствор с кишечной палочкой и поместили его под микроскоп, то увидели фагов, атакующих бактерии. У фагов были угловатые оболочки, содержащие в себе их гены, а вся конструкция держалась на чем-то, очень напоминающем паучьи лапы. Фаги высаживались на поверхность бактерии, как космонавты на Луну, и вгрызались в ее оболочку, впрыскивая внутрь свою ДНК.
Узнавая больше о фагах, ученые выяснили, что спор между Д’Эрелем и Борде был спором по поводу совершенно разных вещей. Фаги не принадлежат одному виду, и различные виды фагов ведут себя по-разному в отношении своих носителей. Д’Эрель обнаружил агрессивную форму, представители которой получили название вирулентных фагов, убивающих носителей при размножении. Борде же изучал более «великодушную» форму, представители которой получили название умеренных фагов. Умеренные фаги обходятся со своими носителями во многом так же, как ВПЧ обходится с клетками кожи. Когда умеренный фаг инфицирует бактерию-носителя, она не разрывается, давая жизнь новым фагам. Вместо этого гены умеренного фага включаются в ДНК носителя, и тот продолжает расти и делиться. Выглядит это так, как будто вирус и его носитель становятся одним целым.
Иногда ДНК умеренного фага все-таки пробуждается. Она дает клетке команду производить новых фагов, которые вырываются из нее, чтобы инфицировать новых носителей. Как только в бактерию проникает умеренный фаг, она становится невосприимчивой к новым вторжениям. Вот почему Борде не удалось убить свою первую колонию кишечной палочки — она уже была заражена и потому оказалась неуязвимой.
Д’Эрель, не желая ждать окончания спора по поводу фагов, применял их для лечения своих пациентов. Во время Первой мировой войны он обнаружил, что по мере того как солдаты выздоравливают после дизентерии, содержание фагов в их стуле повышается. Он заключил, что фаги на самом деле убивают бактерии. Возможно, если бы он давал своим пациентам большие количества фагов, ему бы удалось справиться с болезнями еще быстрее.
Прежде чем проверить эту догадку, Д’Эрелю нужно было убедиться, что фаги безвредны. Поэтому сам проглотил их, чтобы проверить, заболеет он или нет. Ученый выявил, что может глотать фагов, как он писал впоследствии, «без проявления малейших симптомов заболевания». Он впрыснул фагов себе под кожу и вновь не выявил никаких признаков болезни. Убедившись, что фаги безопасны, он начал давать их больным. Он утверждал, что они помогли пациентам вылечиться от дизентерии и холеры. Когда четверо пассажиров французского корабля, проходившего через Суэцкий канал, слегли с бубонной чумой, Д’Эрель ввел им фагов. Все больные поправились.
Случаи выздоровления его пациентов сделали Д’Эреля еще более известным. Американский писатель Льюис Синклер положил эти исследования в основу своего романа «Эрроусмит», ставшего бестселлером в 1925 году и экранизированного Голливудом в 1931-м. В то время Д’Эрель разработал фагосодержащие лекарства, которые продавались компанией, ныне известной как
L'Oréal
. Люди принимали эти лекарства для лечения кожных заболеваний и внутренних инфекций.Но к 1940 году ажиотаж вокруг фагов начал спадать. Идея о том, что пациентов можно лечить при помощи вирусов, заставляла многих врачей испытывать тревогу. После открытия антибиотиков в 30-х годах XX века эти врачи восприняли их с гораздо большим энтузиазмом, так как антибиотики не являлись живыми организмами, а были просто химическими веществами, полученными искусственным путем, и белками, производимыми грибками и бактериями. Антибиотики также показали свою невероятную эффективность, часто излечивая инфекцию за несколько дней. Фармацевтические компании прекратили производство фагов Д’Эреля и начали «штамповать» антибиотики. В свете успеха антибиотиков назначение фагов стало неэффективным.
Однако дело Феликса Д’Эреля не умерло вместе с ним в 1949 году. Побывав в 20-х годах XX века в СССР, он встретился с учеными, желавшими создать целый институт по изучению фагов. В 1923 году он помог советским исследователям основать Институт по изучению бактериофагов, микробиологии и вирусологии им. Элиавы (Eliava Institute of Bacteriophage, Microbiology, and Virology) в городе Тбилиси, ныне являющемся столицей Грузии. В годы своего расцвета в штате института было 1 200 человек, и он производил тонны фагов ежегодно. Во время Второй мировой войны СССР поставлял порошки и пилюли, содержащие фаги, на линию фронта, где они распределялись между инфицированными.
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.