Группа ученых из Университета Макмастераобнаружила, что бактериофаги формируют трехмерные структуры, напоминающие цветы. Эти структуры оказались в 100 раз более эффективными в обнаружении бактерий, чем обычные фаги. Исследование может открыть новые возможности для диагностики и лечения заболеваний.
Первоначальное открытие стало счастливой случайностью, возникающей в ходе обычной лабораторной работы. Вместо стандартной обработки бактериофагов с применением высоких температур и растворителей, которые убивают вирусы, ведущий автор исследования Лэй Тянь и его коллеги решили использовать углекислый газ под высоким давлением. Тянь, главный исследователь в Юго-Восточном университете в Китае, возглавлял проект, будучи аспирантом Университета Макмастера.
Исследователи, привыкшие к наблюдению за вирусами, были удивлены, когда после обработки фаги объединились в сложные и полезные формы. «Наша цель была сохранить структуру этого полезного вируса, и, в результате, получилась удивительная форма, созданная самой природой», — отметил Тянь.
Команда использовала оборудование Канадского центра электронной микроскопии для получения изображений и потратила два года на изучение этого процесса и потенциальных применений новых форм в науке и медицине. Автор статьи Тохид Дидар подчеркнул, что это было случайное открытие: «Когда мы увидели эти красивые цветы, мы были потрясены. Нам потребовалось два года, чтобы понять, как и почему это произошло, это открывает путь к созданию подобных структур из других материалов на основе белков».
В последние годы команда исследователей под руководством Зейнаба Хоссейнидуста, специалиста в области химии и биомедицинской инженерии Канадского исследовательского фонда, добилась значительных успехов в исследовании фагов. Они смогли заставить эти полезные вирусы соединяться, образуя живую микроскопическую ткань, а также формировать гель, видимый невооруженным глазом, что открывает новые перспективы для их применения, особенно в обнаружении и борьбе с инфекциями.
Однако до недавнего открытия было невозможно придать материалу форму и глубину, которые он теперь приобретает благодаря складкам, выпуклостям и углублениям, напоминающим цветы. «Речь идет о строительстве в гармонии с природой, — говорит Хоссейнидуст. — Такая красивая, изогнутая структура является повсеместной в природе. Механические, оптические и биологические свойства таких структур вдохновляли инженеров на протяжении десятилетий на создание подобных искусственных конструкций в надежде получить такие же свойства».
Теперь, когда они инициировали такую трансформацию и успешно воспроизвели данный процесс, исследователи восхищены тем, насколько эффективно фаги работают в коллективном взаимодействии, объединяясь и принимая различные формы.
Пористые структуры фагов в виде цветочных образований в сто раз лучше распознают рассеянные, диффузные цели даже в сложных условиях. Это было доказано путем смешивания фагов с новыми ДНК-ферментами, разработанными их коллегами в области инфекционных болезней и использования этих цветочных образований для обнаружения низких концентраций бактерий Legionella в воде из коммерческих охладительных систем.
Сейчас бактериофаги набирают популярность как средства для лечения различных инфекций, поскольку они могут быть запрограммированы для целенаправленного уничтожения определенных бактерий, не затрагивая другие. Работы в этой области снизились после внедрения пенициллина в середине прошлого века, но с ростом устойчивости к антибиотикам, это привело к снижению эффективности существующих препаратов, поэтому ученые и инженеры, включая исследователей из Макмастера, снова начали обращать внимание на фаги.
Открытие метода, способствующего объединению фагов в цветочные формы, может улучшить их способности как в поиске и уничтожении целевых бактерий, так и в поддержании других полезных микроорганизмов и материалов. «Природа невероятно могущественна и разумна. Наша задача как инженеров — разобраться в ее механизмах, чтобы иметь возможность использовать подобные процессы в своих целях, — говорит Хоссейнидуст. — Варианты применения бесконечны, потому что теперь мы способны конструировать структуры, опираясь на биологические составляющие».
С помощью инструмента машинного обучения были обнаружены 161 979 новых видов РНК-вирусов, которые, по мнению исследователей, значительно улучшат картирование жизни на Земле и помогут в идентификации многих миллионов еще не охарактеризованных вирусов.