Автор: Олег Сивченко. В более ранних публикациях (здесь и здесь) я рассказывал о некоторых направлениях исследований, связанных с инженерными разработками на основе клеточной биологии, и о других проектах, в том числе, генно-инженерных, объединяемых новомодным термином «wetware» (по аналогии с hardware и software). Я сосредотачивался на переориентации клеточного метаболизма с получением на выходе полезных материалов или энергии.

На фоне этих выкладок потерялась еще одна интереснейшая тема – биохимическая коммуникация и возможности ее применения. Уважаемые читатели Хабра наверняка согласятся, что в системе, предназначенной для управляемого обращения с информацией, важны не только ввод/вывод, хранение и обработка данных, но и передача этих данных, то есть, коммуникация.

Начать стоит с упоминания о чувстве кворума (quorum sensing) – это механизм биохимической коммуникации, особенно важный в жизнедеятельности бактериальных колоний. Бактерии обмениваются сигналами, регулирующими жизненно важные процессы: образование биопленок, захват ДНК, биолюминесценция и пр. Чувство кворума наблюдается преимущественно у бактерий, но схожие явления характерны и для других организмов: саранчи, пчел, муравьев, сельди. У бактерий чувство кворума сугубо биохимическое, от концентрации бактерий в культуре зависит поведение всей колонии. Но чувством кворума обладают не только бактерии, но и бактериофаги. Более того, бактериофаги способны «подслушивать коммуникацию бактерий, поддерживая при этом собственную межвирусную коммуникацию.

На русском языке уже достаточно подробно раскрыта тема биохимической коммуникации между бактериофагами, которую я напомню здесь в качестве контекста. Бактериофаги — это обширный класс вирусов, поражающих только бактерии и, следовательно, неопасных для человека. В начале XX века бактериофагов активно изучали как эффективное средство от серьезных бактериальных инфекций, в частности, от дизентерии.

Лечить бактериальные инфекции при помощи бактериофагов впервые попытался Феликс д’Эррель из Пастеровского института в начале 1920-х; именно он и открыл этот класс вирусов, которые инфицировали и убивали бактерий. Поскольку в начале XX века еще не были известны ни антибиотики (пенициллин открыл Александер Флеминг в 1942 году), ни сульфаниламиды (серосодержащие соединения, на основе которых впоследствии был получен стрептоцид, впервые использовал для экстренного лечения столбняка Герхард Домагк в 1938 году) – находка д’Эрреля была революционной. В Пастеровском институте д’Эррель сотрудничал с советским (грузинским) ученым Георгием Григорьевичем Элиавой, который в 1933 году вернулся в Тбилиси и основал Тбилисский НИИ вакцин и сывороток М3 СССР. Там фагов выделяли из окружающей следы, выращивали в бактериальной культуре и очищали при помощи технологий, доступных в то время. В течение последующих десятилетий этот институт стал крупнейшим в мире центром по изучению и производству фагов. В частности, были достигнуты успехи в лечении дизентерии.

Непрерывная традиция применения фагов для лечения бактериальных инфекций от 1930-х до наших дней сохранилась только в Грузии. Грузинский подход связан с составлением фаговых «коктейлей», то есть, в сочетании нескольких видов фагов для подавления болезни. Именно благодаря усилиям Тбилисского института удалось не допустить эпидемии холеры в Сталинграде в 1942 году; кроме того, при отсутствии антибиотиков фаги были единственным доступным средством антибактериальной фронтовой медицины.

Предметным изучением бактериофагов занимаются и в Европе, а именно в Бельгии (Военный госпиталь Астрид, Брюссель), во Франции (эту тему продолжает прорабатывать Пастеровский институт), Швейцарии (Высшая техническая школа, Цюрих) и Германии (университетская клиника Шарите, Берлин).

На практике препараты на основе бактериофагов проиграли конкуренцию антибиотикам, так как производство антибиотиков гораздо дешевле, а бактериофагов нужно не только культивировать, но и тщательно составлять из них «коктейли».

Но эволюция не стоит на месте, и в настоящее время появляются все новые штаммы бактерий, резистентные к антибиотикам, что вновь актуализирует применение бактериофагов в медицине. Так, гели на основе бактериофагов удобны для щадящего лечения гнойных заболеваний слизистой.

Итак, благодаря внушительной истории изучения бактериофагов и массиву серьезных научных наработок, удалось открыть наиболее интересное свойство бактериофагов: их чувство кворума, позволяющее регулировать жизнедеятельность бактериальных колоний. Именно это свойство превращает бактериофагов в мощный инструмент для потенциального применения в wetware и даже открывает возможности для подобной вирусной сборки микросхем – и к этому я вернусь ниже.

Пока давайте разберемся в ключевых механизмах жизнедеятельности бактериофагов, в том, зачем вирусам понадобилась коммуникация.