Мышление в малых масштабах для борьбы с супербактериями

Новое исследование в Университете Торонто в Миссиссаге с использованием передовой микроскопии может помочь остановить распространение «супербактерий».

Лаборатория Милстайна пристально изучает бактериальные клетки, чтобы понять, как остановить распространение устойчивых к антибиотикам бактерий, известных как CRE (карбапенем-устойчивые энтеробактерии). Эти «бактерии-кошмары» невосприимчивы даже к самым сильным антибиотикам и способны передавать эту устойчивость другим бактериям.

Ежегодно в Северной Америке регистрируются тысячи случаев заражения супербактериями, и их число растёт. Эти инфекции, которые могут привести к пневмонии, сепсису, менингиту и другим заболеваниям, имеют уровень смертности 50%. «Это хуже, чем Эбола», — говорит доцент кафедры физики Джошуа Милстайн. — «Нам нужно начать инвестировать в новые подходы, выходящие за рамки антибиотиков».

В этом заключается исследование постдока Юнга Вана, который присоединился к лаборатории в июле 2014 года после получения трёхлетней стипендии от программы Human Frontier Science Program.

Ван изучает поведение плазмид — кольцевых цепочек ДНК, содержащих чужеродные гены, поглощённые от других бактерий, вирусов или из окружающей среды — на протяжении всего жизненного цикла клетки. Чтобы защитить себя, бактерия может «выключать» эти гены с помощью процесса «ксеногенного сайленсинга», который действует как базовая иммунная система. Однако гены могут снова «включиться» в будущем. По словам Вана, этот процесс может привести к появлению штаммов инфекции, которые одновременно более устойчивы и более вирулентны, превращая бактерию в опасную «супербактерию».

«Мы изучаем этот патогенез — как бактерии получают эту чужеродную ДНК и как она в конечном итоге активируется», — говорит Милстайн. — «Если мы поймём, как эти вещи распространяются, возможно, мы сможем понять, как остановить их распространение».

Ключевым для этого исследования является новая техника — супер-разрешающая микроскопия, за разработку которой в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по физике. «Это важная методика, которая в настоящее время движет развитием всей области», — отмечает Милстайн.

Предыдущие технологии не позволяли исследователям видеть мелкие детали внутри небольших бактериальных клеток. Супер-разрешающая микроскопия позволяет наблюдать очень тонкие детали, что делает возможным изучение сложного поведения плазмид.

Коммерческие версии такого микроскопа стоят около $1 млн, однако лаборатория Милстайна собрала свой собственный микроскоп в 2012 году, используя детали, найденные на eBay, потратив лишь десятую часть этой суммы.

«С супер-разрешающей визуализацией вы можете заглянуть внутрь бактерии и увидеть то, что никогда не видели раньше, — говорит Милстайн. — Теперь мы получаем эти впечатляющие изображения».

Эта технология позволяет исследователям увидеть невероятный уровень детализации внутри клетки, что поможет понять, как бактерии реплицируются. Новый микроскоп также позволяет Вану наблюдать за живыми клетками, что важно для понимания активности плазмид. «Мы хотим отслеживать эти плазмиды, когда они движутся в клетке, — говорит Ван. — Мы можем наблюдать за делением клетки и видеть, что происходит дальше».

Ван надеется, что его исследование приведёт к количественному пониманию того, как бактериальные клетки распределяют плазмиды во время деления. «Если мы правильно это поймём, мы надеемся разработать терапии или стратегии, чтобы помешать их распространению».