Вирус папилломы человека

Истории о рогатых кроликах ходили на протяжении столетий. В конечном итоге они приобрели форму мифа о рогатом кролике. Если, пребывая в Вайоминге, вы зайдете в магазин, торгующий открытками, то у вас есть все шансы обнаружить на одной из них рогатого кролика, скачущего через прерию. Он похож на кролика с парой оленьих рогов. Можно даже увидеть рогатого кролика во плоти, правда, только в виде головы, прибитой к стене над обеденным столом.

Конечно, все это чепуха. Большая часть рогатых кроликов – не что иное, как уловки таксидермистов – головы кроликов с приклеенными рогами антилопы. Но, как и большинство мифов, сказание о рогатом кролике несет в себе зерно истины. Иногда действительно встречались кролики с наростами на голове, напоминающими рога.

В начале 30‑х годов XX века Ричард Шоуп (Richard Shope ), ученый Университета Рокфеллера, услышал о существовании рогатых кроликов. Он попросил друга поймать одного и отправить ему кусочки рогов, чтобы он мог установить, из чего они состоят. Коллега Шоупа Франсис Ру (Francis Rous ), проводя опыты с цыплятами, сделал предположение, что определенные виды вирусов могут вызывать опухоли. Многие ученые того времени отнеслись к этому заявлению скептически, но Шоуп заинтересовался, могли ли «рога» быть опухолями, вызванными неизвестным вирусом. Чтобы это проверить, Шоуп измельчил рога, сделал из них раствор и процедил полученную жидкость через фарфоровую глину. Через поры в фарфоровой глине могли проникнуть только вирусы. Затем Шоуп втирал отфильтрованный раствор в головы здоровым кроликам. Они также обзавелись рогами.

Опыт Шоупа показал не только то, что рога кроликов содержали в себе вирусы. Он продемонстрировал, что вирусы создали рога из зараженных клеток. После этого открытия Шоуп передал свои образцы зараженных тканей Ру, который продолжал исследовать их на протяжении десятилетий. Ру впрыснул зараженную жидкость в тело кроликов и обнаружил, что это не привело к возникновению безвредных рогов. Вместо этого у кроликов развился рак, и они погибли. Благодаря своему исследованию, связавшему рак и вирус, Ру получил Нобелевскую премию по медицине в 1966 году.

Открытия, совершенные Шоупом и Ру, заставили ученых более пристально изучать опухоли других животных. У коров иногда возникают чудовищные наросты из видоизмененной кожной ткани размером с грейпфрут. У многих млекопитающих, от тигров и дельфинов до человека, появляются бородавки. В редких случаях бородавки могут сделать человека «рогатым кроликом». В 80‑х годах XX века мальчик из Индонезии по имени Деде начал обрастать бородавками, которые со временем полностью покрыли кожу на руках и ногах. В итоге он не смог больше работать и оказался в составе шоу уродов под прозвищем «человек‑дерево». Сообщения о Деде просочились в СМИ, и в 2007 году врачи удалили больше шести килограммов бородавок с тела Деде. С того момента им пришлось продолжать удалять хирургическим путем все вновь появляющиеся бородавки. Наросты на теле Деде, как и все остальные, возникающие на людях и других млекопитающих, как оказалось, вызваны одним вирусом – тем же самым, от которого у кроликов вырастали рога. Его назвали «вирус папилломы», от латинского papilla (почки или бутоны).

В 1970 году немецкий исследователь Гаральд фон Хаузен (Harald zur Hausen ) выявил, что вирусы папилломы могут представлять гораздо более значительную угрозу здоровью человека, чем просто возникновение бородавок. Он задался вопросом, способны ли вирусы вызывать опухоли в шейке матки. Предыдущие исследования случаев заболевания раком шейки матки выявили, что его протекание было сходно с венерическими заболеваниями. У монахинь, например, рак шейки матки возникает гораздо реже, чем у обычных женщин. Некоторые ученые выдвигали предположения о том, что рак шейки матки вызывает вирус, передающийся половым путем. Хаузен решил выяснить, можно ли винить в этом вызывающие рак вирусы папилломы.

Хаузен доказывал, что если это правда, то гены ДНК вирусов можно обнаружить в раковых опухолях. Он собрал результаты биопсии и не торопясь изучал содержащуюся в них ДНК на протяжении нескольких лет. В 1983 году он обнаружил в образцах ДНК вирусов папилломы. Продолжая исследовать образцы, Хаузен обнаруживал все новые штаммы вируса папилломы. С момента публикации результатов исследования ученые обнаружили сотню разных штаммов вируса папилломы человека (сокращенно – ВПЧ). За свои заслуги Хаузен получил Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2008 году.

Это исследование Хаузена вирусов папилломы оказалось под пристальным вниманием медиков во многом из‑за огромного количества вызываемых раком шейки матки смертей. Опухоли, вызываемые ВПЧ, могут вырастать до таких размеров, что повреждают матку или кишечник. Возникающее вследствие этого кровотечение может привести к смерти. Рак шейки матки убивает примерно, 270 тысяч женщин ежегодно, уступая только раку груди и раку легких.

Все случаи летального исхода имели место у женщин, заразившихся ВПЧ. Заражение начинается, когда вирус внедряет ДНК в клетку‑носитель. ВПЧ специализируется на заражении клеток эпителия, из которых состоит большая часть кожи и слизистых ободочек. Гены вирусов в итоге проникают в ядро клетки, в котором содержатся собственные гены клетки. Затем клетка считывает гены ВПЧ и начинает воспроизводить белки вирусов. Эти белки, в свою очередь, начинают видоизменять клетку.

Многие другие вирусы, такие как риновирусы или вирусы гриппа, размножаются очень активно. Они стараются в короткий срок произвести как можно больше себе подобных, пока клетка‑носитель не переполнится вирусами. В конце концов оболочка клетки разрывается, и клетка умирает. ВПЧ использует совсем другую стратегию. Вместо того чтобы убивать клетку‑носителя, вирус заставляет ее делиться. Чем больше зараженных клеток – тем больше и вирусов.

Ускорение процесса деления клеток – большое достижение для вируса, имеющего всего восемь генов. Нормальный процесс деления клетки безумно сложен. Клетка «решает» начать процесс деления в ответ на внутренние и внешние сигналы, мобилизуя целую армию молекул для своей реорганизации. Ее внутренний, состоящий из нитей, скелет растягивает содержимое клетки к ее противоположным концам. В то же время клетка производит копию своей ДНК – 3,5 миллиарда «букв», организованных в 46 пучках, называемых хромосомами. Клетка затем перемещает эти хромосомы к одному из своих концов и выстраивает внутри себя перемычку. Во время всей этой суеты за процессом деления «наблюдают» молекулы‑надзиратели. Если им кажется, что процесс деления клетки пошел неправильно, например, если у клетки имелся дефект, делающий ее раковой, то молекулы‑надзиратели вынуждают клетку совершить самоубийство. ВПЧ может управлять всеми этими процессами, производя лишь несколько белков, вмешивающихся в важнейшие стадии цикла деления и ускоряя его без убийства клетки.

Многие клетки растут быстро сразу после появления, но потом их рост замедляется или даже останавливается. Клетки эпителия, которые инфицирует ВПЧ, продолжают расти в течение всей жизни. По мере деления они производят новый слой клеток, который вытесняет слой клеток, расположенный над ним. По мере того как клетки делятся и приближаются к поверхности, они становятся отличными от своих прародителей. Они начинают производить больше твердого белка под названием кератин (из него состоят наши ногти и лошадиные копыта). Наполненные кератином клетки верхнего слоя кожи лучше переносят воздействие Солнца, химикатов и температуры. Однако постепенно верхний слой клеток отмирает, и новый слой занимает его место.

Такая система означает, что ВПЧ приходится жить на конвейерной ленте. По мере того как зараженные ВПЧ клетки делятся, они перемещаются все ближе к поверхности и своей смерти. Вирусы чувствуют, что клетка‑носитель приближается к поверхности, и изменяют тактику. Вместо ускорения процесса деления они заставляют клетку производить много новых вирусов. Когда клетка достигает поверхности, она выбрасывает множество вирусов ВПЧ, чтобы те искали новых носителей.

В большинстве случаев заражения человека ВПЧ между вирусом и носителем устанавливается баланс. Быстрорастущие зараженные клетки не успевают нанести вред здоровью, потому что организм сбрасывает их. Вирус в то же самое время использует клетки эпителия как фабрики для новых вирусов, способных передаваться новому носителю при кожном контакте или сексе. Поддерживать баланс помогает и иммунная система, убирая некоторые зараженные клетки. (Древообразные наросты Деде были следствием генетического дефекта, который помешал его организму обуздать вирус.)

Этот баланс между вирусом и носителем существовал сотни миллионов лет. Чтобы реконструировать историю ВПЧ, ученые сравнили генетические последовательности различных штаммов и обратили внимание на то, каких животных они заражали. Выяснилось, что ВПЧ заражают не только млекопитающих, таких как люди, кролики и коровы, но и других позвоночных (птиц и рептилий). Каждый из штаммов обычно заражает только один вид или несколько родственных видов. Основываясь на их родстве, Марк Готтшлинг (Marc Gottschling ) из Мюнхенского университета утверждал, что первые яйцекладущие наземные позвоночные, предки млекопитающих, уже были носителями ВПЧ 300 миллионов лет назад.

По мере того как от этого древнего млекопитающего посредством эволюции происходили новые виды, ВПЧ также видоизменялся. Согласно результатам исследований вирусы начали специализироваться на разных типах тканей своих носителей. Вирусы, вызывающие бородавки, например, адаптировались, чтобы заражать клетки кожи. Другие приспособились к слизистым оболочкам во рту или на других открытых поверхностях. В большинстве случаев эти вирусы мирно сосуществуют со своим носителем. Две трети здоровых лошадей несут в себе штаммы ВПЧ, названные BPV1 и BPV2 .

Эволюция сделала некоторые вирусы более подверженными формированию раковых клеток, чем другие, но исследователи не могут сказать, чем это обусловлено.

На протяжении тысяч поколений ВПЧ приспосабливались к определенным носителям, но время от времени они передавались новым биологическим видам. Множество человеческих ВПЧ имеют самое близкое родство с ВПЧ, заражающими виды, не имеющие такого родства с людьми, например лошадей, а не с ВПЧ наших близких родственников приматов. Для передачи вируса потребовалось всего лишь соприкосновение кожи.

Когда на территории Африки около 200 тысяч лет назад сформировался наш вид, древние предки предположительно уже являлись носителями нескольких штаммов ВПЧ. Представителей этих штаммов сейчас можно встретить по всему миру. По мере того как люди распространялись по планете, покинув территорию Африки 50 тысяч лет назад и освоив Новый Свет 15 тысяч лет назад, ВПЧ продолжали изменяться. Мы знаем это, так как генеалогия некоторых штаммов ВПЧ отражает генеалогию нашего вида. Вирусы ВПЧ, носителями которых являются современные африканцы, относятся к древнейшим формам ВПЧ, тогда как европейцы и азиаты несут в себе собственные штаммы.

Около 199 950 из последних 200 000 лет мы даже не подозревали о существовании ВПЧ. Не из‑за того, что ВПЧ был редким вирусом. В 2008 году проведенное исследование показало, что из 1 797 мужчин и женщин 60% имели антитела против ВПЧ, что означает, что они были им заражены в какой‑то из периодов своей жизни. Для подавляющего большинства людей подобный опыт был безвреден. Ежегодно из 30 миллионов американских женщин, зараженных ВПЧ, рак шейки матки развивается только у 13 тысяч.

У представительниц этого несчастливого меньшинства баланс между вирусом и носителем был нарушен. Каждый раз, когда зараженная клетка делится, есть маленький шанс, что при этом мутации подвергнется один ген, отвечающий за регулирование жизненного цикла клетки. Здоровой клетке такая мутация не нанесет большого вреда. Но клетка, которую ВПЧ вынуждает расти в ускоренном темпе, находится в опасности. То, что в другом случае вызвало бы неопасную мутацию, превращает инфицированную клетку в предопухолевую. Такая клетка размножается намного быстрее, чем раньше. Ее потомки растут так быстро, что скорости обновления кожи не хватает для того, чтобы избавляться от них. Они образуют опухоль, давящую на окружающие ткани.

Лучшим способом уменьшить шанс возникновения рака является избавление от вызывающих опасные мутации привычек: курения, контактов с вредными веществами и употребления пищи, содержащей канцерогены.

Рак шейки матки можно предотвращать по‑другому – с помощью вакцины. В 2006 году в США и Европе была одобрена к применению первая вакцина. Она содержит белки из оболочки ВПЧ, которые наша иммунная система учится распознавать. Если после этого человек заражается ВПЧ, его иммунная система имеет возможность нанести незамедлительный удар.

Введение в использование вакцины вызвало множество споров. Разработчики предлагали прививать девочек в начале подросткового периода. Некоторые родители протестовали, утверждая, что это будет способствовать распространению добрачного секса. В 2008 году медицинские эксперты начали серию обсуждений в «Медицинском журнале» Новой Англии. Вирусу ВПЧ требуется много лет, чтобы дать начало зарождению рака, поэтому мы не знаем, оказалась ли вакцина эффективной.

Другой проблемой может стать тот факт, что вакцина нацелена только на два штамма ВПЧ. Такое решение кажется разумным с позиции соотношения ее стоимости и эффективности, так как два этих штамма вызывают до 70% всех случаев заболевания раком шейки матки. Но люди могут стать носителями еще сотни штаммов ВПЧ, которые непрерывно мутируют и обмениваются генами. Если вакцина истребит два доминирующих штамма, естественный отбор может создать благоприятные условия для других штаммов, которые займут их место. Никогда не стоит недооценивать вирус, превращающий кроликов в рогатых кроликов, а людей – в деревья.

ВЕЗДЕ, ПОВСЮДУ

Враг моего врага

Бактериофаги

Люди знали о вирусах, или по крайней мере о вызываемых ими симптомах, все время, пока вирусы инфицировали людей. Ученые обнаружили существование вирусов в XIX веке, а к началу XX они узнали о них некоторые важные вещи. Выяснилось, что вирусы являются возбудителями инфекции невероятно малого размера. Они начали связывать возникновение конкретных болезней, вроде вируса табачной мозаики или бешенства, с конкретными вирусами. Однако молодая наука вирусология только проходила этап становления. Она, в основном, была направлена на наиболее беспокоящие нас вирусы – те, которые заражают нас или растения, выращиваемые для употребления в пищу. Кругозор вирусологов был очень узок.

Догадки о реальном масштабе воздействия вирусов появились во время Первой мировой воины. Французские солдаты умирали в больших количествах, причем причиной тому являлись не только немцы, но и бактерии. Микробы попадали в их раны, в еду и питьевую воду. Их проникновение облегчила эпидемия гриппа 1918 года. Она ослабила защитные силы своих жертв, позволяя бактериям проникать в их легкие. Солдаты заражали гражданское население, и в конце концов погибло около пятидесяти миллионов человек – многие из‑за воздействия бактерий.

Сегодня врачи могут лечить эти заболевания при помощи антибиотиков. Но антибиотики изобретут только в 30‑х годах XX века. Во время Первой мировой войны доктора могли лишь очистить рану или, если это не помогало, ампутировать конечность. Пациент зачастую все равно умирал.

В 1917 году, посреди всего этого кровавого безумия, врач канадского происхождения Феликс Д’Эрель (Felix d'Herelle ) сделал открытие, показавшееся ему самому чудом – он открыл вещество, способное убивать бактерии. Это был не антибиотик. Вместо него Д’Эрель открыл то, чего не могли вообразить лучшие умы того времени: вирус, который атаковал не людей или других животных, и даже не растения. Он обнаружил вирус, носителями которого являются бактерии.

Свое открытие Д’Эрель сделал, исследуя вспышку дизентерии среди французских солдат. На одном из этапов своего исследования он пропустил стул солдат через фильтр. Фильтр имел настолько маленькие поры, что даже вызывающие дизентерию бактерии – шигеллы (Shigell) не могли проникнуть внутрь. Получив чистый раствор, он добавил в него бактерии шигеллы, после чего поместил полученную смесь в чашки Петри.

Колонии шигелл начали расти, но через несколько часов Д’Эрель заметил странные разрывы, появлявшиеся в этих колониях. Он взял пробы из этих разрывов и смешал их с новыми образцами шигелл. В чашках он увидел те же разрывы. Д’Эрель заключил, что эти разрывы были полем боя, где вирусы убивали бактерий и оставляли позади их прозрачные трупы. Ученый считал открытие настолько сенсационным, что обнаруженные им вирусы получили собственное названия. Он окрестил их bacteriophages (бактериофаги), что означает «поедающие бактерий». Сегодня их сокращенно называют фагами.

Сама идея существования вирусов, истребляющих бактерии, была настолько странной, что некоторые ученые не могли в нее поверить. Жюль Борде (Jules Bordet ), французский иммунолог, получивший Нобелевскую премию в 1919 году, стал ярым оппонентом Д’Эреля, так как ему не удалось лично обнаружить фагов. Вместо шигелл Борде использовал безвредный штамм кишечной палочки (Escherichia coli). Он пропустил раствор, содержащий кишечную палочку, через очень мелкий фильтр, а затем смешал отфильтрованный раствор со вторым образцом кишечной палочки. Содержащиеся во втором образце палочки погибли, в точности как в эксперименте Д’Эреля. Но затем Борде решил посмотреть, что получится, если смешать отфильтрованный раствор с первым образцом кишечной палочки, тем, который он фильтровал в первом эксперименте. К его удивлению, кишечная палочка в первом образце оказалась невосприимчива. Ворде решил, что его неудавшаяся попытка свидетельствует о том, что отфильтрованный раствор не содержит фагов. Вместо этого, думал он, такой раствор содержал белок, производимый первой кишечной палочкой. Белок оказался токсичен для других бактерий, но не для тех, которые его производили.

Д’Эрель защищался, Борде контратаковал, и спор растянулся на годы. Он продолжался до 40‑х годов, когда ученые смогли наглядно подтвердить, что Д’Эрель был прав. К тому времени инженеры создали электронные микроскопы, мощность которых позволяла рассмотреть вирусы. Когда они смешали убивающий бактерий раствор с кишечной палочкой и поместили его под микроскоп, то увидели фагов, атакующих бактерии. У фагов были угловатые оболочки, содержащие в себе их гены, а вся конструкция держалась на чем‑то, очень напоминающем паучьи лапы. Фаги высаживались на поверхность бактерии, как космонавты на Луну, и вгрызались в ее оболочку, впрыскивая внутрь свою ДНК.

Узнавая больше о фагах, ученые выяснили, что спор между Д’Эрелем и Борде был спором по поводу совершенно разных вещей. Фаги не принадлежат одному виду, и различные виды фагов ведут себя по‑разному в отношении своих носителей. Д’Эрель обнаружил агрессивную форму, представители которой получили название вирулентных фагов, убивающих носителей при размножении. Борде же изучал более «великодушную» форму, представители которой получили название умеренных фагов. Умеренные фаги обходятся со своими носителями во многом так же, как ВПЧ обходится с клетками кожи. Когда умеренный фаг инфицирует бактерию‑носителя, она не разрывается, давая жизнь новым фагам. Вместо этого гены умеренного фага включаются в ДНК носителя, и тот продолжает расти и делиться. Выглядит это так, как будто вирус и его носитель становятся одним целым.

Иногда ДНК умеренного фага все‑таки пробуждается. Она дает клетке команду производить новых фагов, которые вырываются из нее, чтобы инфицировать новых носителей. Как только в бактерию проникает умеренный фаг, она становится невосприимчивой к новым вторжениям. Вот почему Борде не удалось убить свою первую колонию кишечной палочки – она уже была заражена и потому оказалась неуязвимой.

Д’Эрель, не желая ждать окончания спора по поводу фагов, применял их для лечения своих пациентов. Во время Первой мировой войны он обнаружил, что по мере того как солдаты выздоравливают после дизентерии, содержание фагов в их стуле повышается. Он заключил, что фаги на самом деле убивают бактерии. Возможно, если бы он давал своим пациентам большие количества фагов, ему бы удалось справиться с болезнями еще быстрее.

Прежде чем проверить эту догадку, Д’Эрелю нужно было убедиться, что фаги безвредны. Поэтому сам проглотил их, чтобы проверить, заболеет он или нет. Ученый выявил, что может глотать фагов, как он писал впоследствии, «без проявления малейших симптомов заболевания». Он впрыснул фагов себе под кожу и вновь не выявил никаких признаков болезни. Убедившись, что фаги безопасны, он начал давать их больным. Он утверждал, что они помогли пациентам вылечиться от дизентерии и холеры. Когда четверо пассажиров французского корабля, проходившего через Суэцкий канал, слегли с бубонной чумой, Д’Эрель ввел им фагов. Все больные поправились.

Случаи выздоровления его пациентов сделали Д’Эреля еще более известным. Американский писатель Льюис Синклер положил эти исследования в основу своего романа «Эрроусмит», ставшего бестселлером в 1925 году и экранизированного Голливудом в 1931‑м. В то время Д’Эрель разработал фагосодержащие лекарства, которые продавались компанией, ныне известной как L'Oréal . Люди принимали эти лекарства для лечения кожных заболеваний и внутренних инфекций.

Но к 1940 году ажиотаж вокруг фагов начал спадать. Идея о том, что пациентов можно лечить при помощи вирусов, заставляла многих врачей испытывать тревогу. После открытия антибиотиков в 30‑х годах XX века эти врачи восприняли их с гораздо большим энтузиазмом, так как антибиотики не являлись живыми организмами, а были просто химическими веществами, полученными искусственным путем, и белками, производимыми грибками и бактериями. Антибиотики также показали свою невероятную эффективность, часто излечивая инфекцию за несколько дней. Фармацевтические компании прекратили производство фагов Д’Эреля и начали «штамповать» антибиотики. В свете успеха антибиотиков назначение фагов стало неэффективным.

Однако дело Феликса Д’Эреля не умерло вместе с ним в 1949 году. Побывав в 20‑х годах XX века в СССР, он встретился с учеными, желавшими создать целый институт по изучению фагов. В 1923 году он помог советским исследователям основать Институт по изучению бактериофагов, микробиологии и вирусологии им. Элиавы (Eliava Institute of Bacteriophage, Microbiology, and Virology) в городе Тбилиси, ныне являющемся столицей Грузии. В годы своего расцвета в штате института было 1 200 человек, и он производил тонны фагов ежегодно. Во время Второй мировой войны СССР поставлял порошки и пилюли, содержащие фаги, на линию фронта, где они распределялись между инфицированными.

В 1963 году этим институтом было проведено самое масштабное исследование в истории, целью которого было выяснить последствия приема человеком фагов. В исследовании участвовало 30 796 детей из Тбилиси. Раз в неделю около половины детей принимали пилюлю, содержащую фаги, борющихся с кишечной палочкой. Вторая половина получала пустышку, наполненную сахаром. Чтобы минимизировать эффект воздействия окружающей среды, ученые давали пилюли с фагами детям, живущим по одной стороне каждой из улиц, а пилюлю с сахаром – детям, живущим на другой ее стороне. Ученые наблюдали за детьми 109 дней. Среди детей, которые получали пустышку, дизентерией заболели 6,7 из тысячи. Среди детей, принимавших фагов, это число упало до 1,8 на тысячу. Другими словами, прием фагов снижал шанс заболевания у детей на 3,8.

За пределами Грузии лишь немногие узнали о таких впечатляющих результатах, и все благодаря режиму секретности Советского государства. Только после падения СССР в 1989 году информация начала просачиваться. Эти данные вдохновили небольшую, но целеустремленную группу западных ученых провести исследования фаговой терапии и бросить вызов укоренившемуся на Западе нежеланию ее применять.

Эти защитники фагов считают, что не нужно волноваться по поводу использования фагов в лекарствах. В конце концов, фаги обитают во многих продуктах: йогурте, соленьях и салями. Фаги живут и в наших телах, и это неудивительно, если учесть, что каждый из нас несет в себе около ста триллионов бактерий, многие из которых являются носителями для различных видов фагов. Каждый день эти фаги убивают множество бактерий внутри нас без вреда для нашего здоровья.

Аргументом противников фагов было то, что их воздействие слишком узконаправленно. Каждый вид фагов может атаковать один вид бактерий, в то время как антибиотик поражает множество бактерий разом. Однако сейчас становится ясно, что фаготерапия способна бороться со множеством инфекции. Врачам необходимо лишь смешать несколько видов фагов в один «коктейль». Ученые Института им. Элиавы разработали перевязочный материал, в котором содержались шесть видов фагов, поражающих шесть основных инфекций, опасных для открытых ран.

Скептики говорили, что даже если удастся выработать эффективную фаготерапию, то эволюция вскоре сделает ее бесполезной. В 40‑х годах XX века микробиологи Сальвадор Лурия (Salvador Luria ) и Макс Делбрук (Max Delbruck ) наблюдали рост невосприимчивости бактерий к фагам. Когда они подсадили в посуду к кишечной палочке фагов, то большинство бактерий погибло, однако некоторым удалось выжить, и они стали началом для новых колоний. Дальнейшие исследования выявили, что эти выжившие несли в себе мутированные гены, дающие им защиту от фагов. Невосприимчивые бактерии передали свои гены потомкам. Критики фаготерапии утверждали, что она только подстегнет эволюцию невосприимчивых к фагам бактерий, что вызовет резкий скачок инфекций.

Защитники фаготерапии отвечали на это тем, что фаги тоже способны эволюционировать. При размножении они могут приобретать мутации, которые дадут им новые пути для заражения устойчивых бактерий. Ученые могут даже помочь фагам в этом. Они могут среди тысяч видов фагов найти таких, которые станут наилучшим средством в борьбе с определенной инфекцией. Они могут даже, немного повозившись с ДНК, создать фагов, способных убивать по‑новому.

В 2008 году Джеймс Коллинз (James Collins ), биолог из Бостонского университета, и Тим Лю (Tim Lu ) из Массачусетского Технологического университета, опубликовали описание первого вида фагов, специально созданного для убийства бактерий. Этот вид был особенно эффективен благодаря тому, что он атаковал эластичные оболочки, окутывающие бактерий, называемые биопленками. Биопленка становится непреодолимой преградой как для антибиотиков, так и для фагов, не способных пробиться внутрь через ее толстый слой. Коллинз и Лю в научной литературе начали поиски гена, который мог бы позволить фагам лучше разрушать биопленку. В самих бактериях содержатся энзимы, позволяющие им разрушать биопленку и вырываться наружу, когда приходит время заражать новые организмы. Коллинз и Лю синтезировали ген, отвечающий за выработку одного из таких энзимов, и вживили его фагам. Затем они настроили ДНК фагов таким образом, чтобы они начинали производство большего количества энзима при проникновении в микроб‑носитель. Когда они опробовали фаги на биопленке кишечной палочки, фаги проникли в бактерии в верхнем слое биопленки и заставили их производить как новых фагов, так и большее количество энзима. Инфицированные микробы лопались, выпуская энзимы, разрушающие более глубинные слои биопленки, и позволяя фагам заражать содержащиеся в ней бактерии. Сконструированные таким образом фаги способны убить 99,997% бактерий кишечной палочки в биопленке, что в сотни раз превосходит результаты, показываемые обычными фагами.

В то время как Коллинз и другие ученые изобретают способы сделать фаги более смертоносными для бактерий, антибиотики теряют свои лавры. Врачи борются со всевозрастающим количеством бактерий, невосприимчивых ко всем имеющимся сегодня антибиотикам. Иногда врачам приходится полагаться лишь на сильнодействующие лекарства как «последнее средство», обладающие сильными побочными эффектами. Однако есть все основания полагать, что бактерии смогут эволюционировать и станут невосприимчивы и к таким лекарствам. Ученые бьются над разработкой новых антибиотиков, но могут пройти десятилетия, пока препарат из лаборатории попадет на полки аптек. Может, и сложно представить, каким был мир до антибиотиков, но теперь нам нужно представлять, каким будет мир, в котором антибиотики будут не единственными борцами с инфекцией. Сейчас, когда прошло уже более 90 лет с момента открытия Д’Эрелем бактериофагов, они, кажется, готовы стать частью современной медицины.

Зараженный океан

Морские вирусы‑бактериофаги

Некоторые великие открытия вначале напоминают чудовищные ошибки.

В 1986 году выпускница Нью‑Йоркского государственного университета Лита Проктор (Lita Proctor ) решила узнать, как много вирусов содержится в морской воде. В то время считалось, что шанс обнаружить их там почти отсутствует. Те немногие исследователи, кто тратил свое время на их поиски, практически не находили их там. Большинство экспертов считали, что вирусы, обнаруженные в океане, попали туда из канализации и других источников, находящихся на суше.

Через годы несколько ученых собрали доказательства, не укладывавшиеся в данную теорию. Океанолог Джон Сиберт (John Sieburth ) опубликовал снимок морской бактерии и вырывающихся из нее вирусов. Проктор решила, что стоит начать их систематический поиск. Она путешествовала по Карибскому и Саргассовому морям, собирая образцы воды. Когда Проктор взглянула на собранные ею образцы через электронный микроскоп, ее взгляду предстал целый мир вирусов. Некоторые держались отдельно, в то время как другие находились внутри своих бактерий‑носителей.

Основываясь на количестве вирусов, обнаруженных ею в собранных образцах, Проктор предположила, что каждый литр морской воды содержит около ста миллиардов вирусов.

Цифры, полученные Проктор, были несоизмеримы с результатами предыдущих исследований. Немногие ученые бы удивились, узнав, что она по ошибке добавила пару лишних нулей. Но когда другие ученые проводили собственные исследования, которые привели к схожим результатам, то они также пришли к мнению, что в океане живет около 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.

Сложно найти что‑то, с чем можно сравнить такое невероятное число. На каждого обитателя океана приходится по пятнадцать вирусов. Если положить все вирусы океана на чашу весов, то на другой можно разместить семьдесят пять миллионов голубых китов. Если же выстроить все их в одну линию, то она протянется через шестьдесят ближайших галактик.

Все эти цифры не означают, что купание в океане граничит с самоубийством. Только 1/60 часть вирусов в океане способна инфицировать человека. Некоторые морские вирусы инфицируют рыб и других морских животных, но наиболее частой их добычей являются микробы. Микробов хоть и не видно невооруженным взглядом, но они по массе превосходят всех живущих в океане китов, все кораллы и остальные формы океанической жизни. Подобно тому как бактерии в нашем организме подвергаются нападению фагов, морские микробы атакуются морскими вирусами‑бактериофагами (морскими фагами).

Когда Феликс Д’Эрель впервые обнаружил бактериофаги в организмах французских солдат в 1917 году, многие ученые отказывались верить в их существование. Сто лет спустя выяснилось, что Д’Эрель обнаружил самую распространенную форму жизни на Земле. С момента обнаружения Проктор изобилия морских вирусов ученые продолжают делать открытия, подтверждающие их колоссальное влияние на нашу планету. Морские фаги влияют на экологию Мирового океана. Они вносят свой вклад в мировой климат. Кроме того, они оказывали решающее влияние на ход эволюции на протяжении миллиардов лет. Другими словами, они играют роль цементирующего вещества в биосфере.

Сильной стороной морских вирусов является их высокая способность к заражению. За одну секунду три триллиона морских вирусов находят своих носителей. Каждый день вирусы убивают около половины всех бактерий в Мировом океане. Их убийственная эффективность держит под контролем размножение их носителей, и люди в конечном итоге часто оказываются в выигрышном положении. Холера, например, вызывается передающимися с водой бактериями вибрионами (Vibrio ). Однако вибрионы являются носителями для некоторых видов морских фагов. Когда численность вибрионов резко возрастает и случается вспышка холеры, фаги тоже начинают размножаться быстрее. Популяция вирусов растет так быстро, что они убивают бактерий скорее, чем те могут размножаться. Бум размножения бактерий затихает, и эпидемия холеры вместе с ним.

Остановка вспышек холеры на самом деле один из самых незначительных эффектов, вызываемых воздействием морских вирусов. Количество убиваемых ими микробов настолько велико, что вирусы могут влиять на состояние атмосферы Земли. Это становится возможным из‑за того, что микробы являются величайшими геоинженерами Земли. Водоросли и фотосинтезирующие бактерии вырабатывают примерно половину кислорода, которым мы дышим. Водоросли также выделяют газ диметилсульфид, который поднимается вверх и образует облака. Облака отражают поступающий на планету солнечный свет, охлаждая Землю. Микробы также поглощают огромное количество углекислого газа, задерживающего тепло в атмосфере. Некоторые микробы выпускают в атмосферу углекислый газ как продукт своей жизнедеятельности, нагревая нашу планету. Водоросли и фототрофные бактерии, с другой стороны, поглощают в процессе роста углекислый газ, охлаждая ее. Когда микробы в океане погибают, содержащийся в них углерод оседает на океанском дне. Миллионы лет этот «снег» из микробов может постепенно понижать температуру на планете. Более того, мертвая органика имеет свойство превращаться в камень. Белые скалы Дувра, например, состоят из известняковых панцирей одноклеточных кокколитофоридов.

Каждый день вирусы убивают триллионы этих геоинженеров. Когда ставшие их жертвой микробы погибают, их оболочка разрывается, и они выделяют миллиарды тонн углерода. Часть освободившегося углерода играет роль «оплодотворителя», стимулирующего рост других микробов, а другая часть оседает на дне океана. Молекулы внутри клетки клейкие, и когда вирус вспарывает оболочку носителя, освобождающиеся клейкие молекулы могут захватывать молекулы углерода и утягивать их на дно, вызывая подводную «метель».

Океанические вирусы поражают не только своим числом, но и своим разнообразием. Гены человека и гены акулы очень похожи – настолько похожи, что ученым удается найти аналог большинства генов человека в геноме акулы. Генетическое строение морских вирусов, с другой стороны, ни на что не похоже. Во время исследования вирусов в Северном Ледовитом океане, Мексиканском заливе, возле Бермудских островов и в Северной Атлантике ученые идентифицировали около 1 800 000 вирусных генов. Только 10% их генов имеют аналоги в геноме бактерий, животных, растений или даже других вирусов. Остальные 90% были совершенно неизвестны науке. В 200 литрах морской воды ученые обычно находят 5 000 генетически разнообразных вирусов. В килограмме морских отложений может быть до миллиона видов вирусов.

Одной из предпосылок существования такого разнообразия морских вирусов является обилие носителей. Каждый род вирусов должен приспосабливаться для того, чтобы проникнуть в организм носителя. Однако разнообразие может появиться и более мирным путем. Умеренные фаги постепенно проникают в ДНК своего носителя. Размножаясь, носители воспроизводят и ДНК вирусов. Пока ДНК умеренного фага остается невредимой, она имеет возможность вырваться из организма своего носителя во время его стрессового состояния. Но по мере смены поколений ДНК фага мутирует и теря<