Самый многочисленный биологический объект на планете — вирус, о существовании которого человечество узнало чуть больше века назад. Бактериофагов на Земле около 10³¹ — на порядки больше, чем звезд в наблюдаемой Вселенной. Открыл их исследователь без диплома, которого академическая наука долго держала за чудака.
Кто такой Феликс д’Эрелль
Д’Эрелль — редкий для XX века пример большого ученого-самоучки. Диплома у него не было — вообще никакого. Он родился в 1873 году, называл себя канадцем из Монреаля, хотя биографы находят у этой легенды парижские корни, и всю жизнь учился по книгам и в экспедициях.
До бактериофагов он успел поработать в Гватемале и Мексике, где боролся с нашествиями саранчи с помощью болезнетворной бактерии — по сути, провел одну из первых в истории кампаний биологической борьбы с вредителями. В Пастеровский институт он пришел волонтером, без жалованья.
После открытия жизнь закрутила его по всему миру: он лечил фагами чуму и холеру в Индии и Египте, получил профессорскую кафедру в Йеле, а в 1934 году переехал в Тбилиси — к другу по Пастеровскому институту Георгию Элиаве, вместе с которым строил первый в мире институт бактериофага. Сотрудничество оборвал террор: в 1937 году Элиаву арестовали и расстреляли, д’Эрелль вернулся во Францию и больше в СССР не приезжал. Тбилисский институт, носящий имя Элиавы, работает до сих пор.
На Нобелевскую премию д’Эреля выдвигали больше тридцати раз. Он так ее и не получил — зато стал прототипом героя романа Синклера Льюиса «Эрроусмит», удостоенного Пулитцеровской премии.
Что произошло 3 сентября 1917 года
Шла Первая мировая война, и по армиям гуляла дизентерия. Микробиолог Пастеровского института Феликс д’Эрелль изучал вспышки болезни среди французских солдат и заметил странное: в фильтрате выделений выздоравливающих скрывалось нечто, проходившее сквозь самые плотные бактериальные фильтры и убивавшее дизентерийную палочку. На газоне бактерий в чашке Петри это «нечто» оставляло круглые прозрачные пятна — выеденные проплешины.
Д’Эрелль сделал смелый вывод: перед ним невидимый в оптический микроскоп вирус, паразитирующий на бактериях. 3 сентября 1917 года директор института Эмиль Ру представил Парижской академии наук его короткую заметку «О невидимом микробе, антагонисте дизентерийной палочки». Позже д’Эрелль придумал открытию имя, которое прижилось навсегда: бактериофаг, от греческого «пожирать».
Справедливости ради, похожее явление на два года раньше описал англичанин Фредерик Туорт: его стафилококковые колонии тоже растворял загадочный фильтрующийся агент. Туорт склонялся к версии о ферменте, развить работу ему помешала война, и статья прошла незамеченной. Сегодня спор о первенстве закрыт компромиссом — в учебниках явление называют феноменом Туорта — д’Эреля.
Что такое бактериофаг
Бактериофаг — вирус, который заражает только бактерий. Клетки человека, животных и растений для него закрыты: фаг узнает жертву по рецепторам на бактериальной стенке, и у наших клеток таких «замков» попросту нет. Больше того, каждый фаг обычно охотится на один вид бактерий, а то и на отдельный штамм.
Выглядит классический хвостатый фаг как инопланетный посадочный модуль. Икосаэдрическая головка-капсид хранит генетический материал, полый хвост с сократительным чехлом служит шприцем, а базальная пластинка с длинными фибриллами — посадочными опорами.
Живут фаги везде, где есть бактерии: в почве, океане, кишечнике человека. В морской воде они ежедневно уничтожают заметную долю всех бактерий — по оценкам вирусологов, до 40% — и тем самым управляют круговоротом веществ планетарного масштаба.
Как бактериофаги заражают бактерии
Атака фага похожа на отточенную военную операцию. Сначала вирус фибриллами нащупывает рецепторы на поверхности бактерии и намертво закрепляется. Ферменты на конце хвоста растворяют участок клеточной стенки, чехол сокращается — и фаг впрыскивает внутрь молекулу ДНК. Пустой капсид остается снаружи.
Дальше события развиваются стремительно. Вирусная программа перехватывает управление клеткой: бактерия перестает обслуживать себя и начинает штамповать детали фага — копии генома, головки, хвосты. Через полчаса-час собранное потомство, десятки и сотни новых вирусов, разрывает клетку изнутри и отправляется на поиски следующих жертв. Такой сценарий называют литическим циклом.
Почему открытие бактериофагов изменило науку и медицину
Д’Эрелль сразу увидел в фагах лекарство. В 1919 году он вылечил ими первых пациентов — детей с дизентерией в парижской больнице, причем перед этим выпил препарат сам, проверяя безопасность. В 1920—1930-е фаговые препараты выпускали даже крупные фармкомпании. Затем медицина получила пенициллин, и антибиотики, работавшие сразу против множества микробов, вытеснили капризные фаги почти повсюду.
Почти — потому что в СССР направление выжило. Самый драматичный эпизод случился в 1942 году под Сталинградом: когда эшелон с холерным фагом разбомбили, микробиолог Зинаида Ермольева наладила производство препарата в подвале разрушенного дома, и его ежедневно принимали до 50 тысяч человек. Эпидемию в воюющем городе остановили.
Для фундаментальной науки фаг оказался подарком еще большим. Простой и быстрый вирус стал главным инструментом «фаговой группы» Макса Дельбрюка, Сальвадора Лурии и Алфреда Херши. На фагах в 1943 году показали, что мутации возникают случайно, до всякого отбора; на фагах Херши и Чейз в 1952 году доказали, что наследственную информацию несет именно ДНК. В 1969 году трое лидеров группы получили Нобелевскую премию за открытия в области репликации и генетической структуры вирусов — так из пожирателя бактерий выросла молекулярная генетика. Даже технология редактирования генома CRISPR родом из этой войны: у бактерий она служит иммунной защитой от фагов.
А теперь у столетней идеи д’Эреля второе дыхание. Устойчивые к антибиотикам бактерии уносят более миллиона жизней в год, и к 2050 году, по прогнозам, счет может пойти на десятки миллионов. Там, где лекарства бессильны, врачи все чаще подбирают пациентам персональные фаговые коктейли — и невидимый микроб с заседания Парижской академии снова выходит на передовую.
Ранее Наука Mail рассказала о судьбе академика Валерия Легасова — главного свидетеля Чернобыля.