Международный коллектив ученых из Университета Лестера, МГУ и МФТИ разработал математическую модель, которая открывает новые возможности для контроля и мониторинга распространения мелиоидоза в Юго-Восточной Азии.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Мелиоидоз — острая инфекционная болезнь, протекающая в виде тяжелого сепсиса с образованием множественных абсцессов в различных органах и приводящая в 40% случаев к летальному исходу. Особенно высок риск заражения у больных диабетом. Возбудитель мелиоидоз — бактерия Burkholderia pseudomallei (бацилла Уитмора), которая особенно активна в воде и почве. Болезнь широко распространена в Юго-Восточной Азии, а также Индонезии, Австралии, Западной и Восточной Африке.

«Мелиоидоз — серьезное и опасное заболевание, но многие исследования на эту тему в основном сводятся к исследованию бактерий, а фагам, которые обнаружены в местах обитания патогена, не уделяется должного внимания. Мы задались вопросом: можно ли предсказать изменение числа патогенных бактерий и какую роль в этом процессе играют фаги в зависимости от сезона и погодных условий», — рассказывает один из авторов исследования профессор Университета Лестера Андрей Морозов.

Для этого ученые разработали несколько математических моделей, которые предсказывают сезонную и ежедневную динамику размера популяций бактерий Burkholderia pseudomallei, связанных с зависимыми от температуры фагами, на рисовых полях в двух провинциях Таиланда (Сакэу и Накхонпханом). В качестве переменных использовались данные о температуре и уровне ультрафиолетового излучения.

Адсорбация бактериофагов на поверхности бактериальной клетки / Википедия

Результаты моделирования показывают, что наиболее опасен период с марта по сентябрь. Основной источник смертности бактерий — заражение фагами, то есть вирусами, избирательно поражающими бактерии. Весной и летом, при высоком уровне ультрафиолетового излучения, фаги умирают, что приводит к росту числа бактерий без них. В то же время в богатой питательными веществами среде при сохранении постоянной интенсивности УФ решающую роль играет температура. Так, если она выше 35 градусов, фаг переходит в состояние, когда он уничтожает клетки бактерии (так называемый литический цикл), что позволяет контролировать размер популяции патогена. Модель также показывает, что количество свободных от фагов бактерий максимально вечером (около 20:00) и минимально утром (около 09:00).

Помимо ультрафиолетового излучения, на уровень свободных фагов влияют и используемые удобрения. Недавние исследования показывают, что химикаты на основе меди убивают фаги, как влияют другие — пока не известно. Однако они делают динамику непредсказуемой, что потенциально может быть опасно для человека.

«В отличие от лабораторных условий, в природе и у лизогена (бактерии, инфицированной фагом), и у патогенной бактерии есть ограничивающие факторы, от которых зависит размер их популяции. Чтобы сделать модель более реалистичной, мы измерили целый ряд реальных параметров фагов. Таким образом, модель предсказывает, при каком соотношении сезонных параметров повышается риск заражения мелиоидозом», — добавляет Андрей Летаров, заведующий лабораторией вирусов микроорганизмов Института микробиологии им. С. Н. Виноградского, профессор МФТИ и МГУ.

Модель показывает, как фаг взаимодействует с бактерией. Полученные результаты открывают целый ряд возможностей для контроля заболевания: начиная от пересмотра и определения графика полевых работ в зависимости от сезона, понимания того, в какое время могут потребоваться дополнительные меры безопасности, как, например, специальная экипировка, и заканчивая тем, какие удобрения не вредят фагам и могут быть использованы для ограничения популяции патогенных бактерий.

«Математическое моделирование позволяет делать прогнозы при различных режимах, в том числе оценить влияние глобального потепления на распространение эндемичных зон заболевания. Мы возобновляем исследование и уже осенью планируем провести серию экспериментов, чтобы более подробно изучить, как химикаты, используемые в сельском хозяйстве, влияют на уровень фагов в почве, как в ней взаимодействуют фаги и бактерии и какие ограничивающие факторы играют в этой среде существенную роль», — добавляет Андрей Морозов.