Вирусы. Скорее друзья, чем враги

Океанические течения изучали с помощью одного из самых необычных экспериментов: в 1992 г. в Индийском океане взорвался контейнеровоз, в результате чего в воду высыпалось 26 000 желтых игрушечных пластиковых уточек китайского производства. Через семь месяцев они оказались на Гавайских островах в 3500 км от места крушения судна, в Арктике на дрейфующем льду и недалеко от Восточной Европы. Такой удивительный эксперимент невозможно было себе представить. Он оказался не только очень информативным, но и дешевым. Океанические течения имеют большое значение. Они являются предметом интенсивных исследований, результаты которых документируются и используются для прогнозирования изменения климата – что произойдет с климатом в Европе, если не будет Гольфстрима? Может быть, игрушки помогут проследить изменения, вызванные течением Эль-Ниньо или течением Гумбольдта? Подобный эксперимент недавно начался: 1500 черных шаров, обозначенных как «дрейфующие предметы» и снабженных многочисленными датчиками, в рамках «Глобальной программы дрейфующих буев» распределили по всем океанам.

В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой – к упрощению. Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.
В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага Qbeta размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут все быстрее и быстрее реплицироваться. Каким образом? Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». Qbeta «минимизируется». Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. То, что растет все быстрее и быстрее, становясь при этом все меньше и меньше, – так называемый «монстр Шпигельмана». Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. «Монстр» превратился в карлика! Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. У нее нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Буквально через несколько дней процесс приобрел обратную направленность – к началу. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Это удивительно. Репликацию и эволюцию фага Qbeta впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу – фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Из хаоса возникла первая РНК-молекула. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Это два оригинальных и показательных эксперимента. Увеличение и уменьшение сложности.

Чтобы получить должность профессора, нужно иметь 50–100 публикаций, в том числе в нескольких очень престижных журналах, а также вести исследования в перспективных областях. Для хабилитации (так в немецкоговорящих странах называется квалификация для преподавания в университете) требуется, чтобы претендент на должность имел 15 публикаций, в списке авторов которых он указан либо первым, либо последним. Ранее женщинам для назначения на должности профессорско-преподавательского состава требовалось больше публикаций, чем мужчинам, но в настоящее время для получения профессорской должности им нужно представить меньше публикаций! Список авторов статей редко составляется в алфавитном порядке, что часто наблюдается в физике. Первой указывается фамилия ученого, внесшего наиболее существенный вклад в исследование, а фамилия руководителя группы ученых – последней. Финансирование исследований более не рассматривается как соавторство. Руководитель больше автоматически не считается наиболее значимым автором, его фамилия стоит последней. Все указанные авторы должны разбираться во всех приведенных в статье данных и отвечать за их точность, а не только в той части материала, которую они подготовили для статьи, – это недавно введенное требование, призванное сократить случаи мошенничества среди ученых! С некоторых пор стало принято указывать вклад каждого автора в работу, а в конце материала помещать информацию о том, какой интерес изложенная информация может представлять с коммерческой точки зрения. Советую делать еще одно заявление: авторы должны подтвердить, что работали с литературой должным образом. Это крайне «полезно» (при недобросовестном поведении ученых), чтобы авторы не забывали упомянуть о вкладе в исследование проблемы какого-либо ученого-конкурента в надежде на то, что рецензенты это не обнаружат, – и все для того, чтобы обеспечить публикации незаслуженно высокий рейтинг как материалу, содержащему новые результаты. Я уже упоминала несколько таких случаев, с которыми мне приходилось сталкиваться. Для сотрудников университетов вопрос, касающийся получения грантов, очень важен. Им приходится задействовать все источники для финансирования исследований, и нередко в этом участвуют некоторые университетские структуры. Финансовая поддержка со стороны коммерческих компаний всегда вызывает некоторое беспокойство. Кроме того, оценивается качество преподавания, и часто это определяется путем проведения голосования среди студентов, а затем в игру вступает счастливый случай. После того как удачный выбор сделан – и сделан в вашу пользу, я никому не пожелаю испытать на себе месть тех, кого вы обошли: эти люди зачастую лучше разбираются в университетской инфраструктуре, в том, как функционирует локальная компьютерная сеть, и у них больше времени на «боевые действия». По крайней мере так было в моей жизни: дискриминация, анонимки с ложной бездоказательной информацией и прямые угрозы даже от высокопоставленных «коллег», удостоенных самых высоких премий и наград. Я знаю, о чем говорю, и желаю, чтобы вам повезло больше, чем мне.

Для использования в целях генной терапии помимо ретровирусов разрабатываются аденовирусы. Их преимущество заключается в способности инфицировать большое число разных типов клеток-хозяев и не интегрироваться, что обусловливает отсутствие генотоксического побочного эффекта. Их можно выращивать до высоких концентраций – 1011 вирусов на 1 мл, для достижения более выраженного терапевтического эффекта. В 1999 г. в Филадельфии, в начале эры использования генной терапии молодому пациенту с нетерминальной стадией заболевания проводили генную терапию с использованием аденовирусов. Врачи назначили ему до 1015 вирусных частиц в надежде, что чем выше доза, тем лучше окажется результат. Но произошло обратное: мальчик Джесс Гельсингер умер от избыточной реакции иммунной системы, так называемого «цитокинового шторма», поскольку у него уже выработались собственные антитела против терапевтического вируса. Вся область генной терапии испытала потрясение, а ведущий исследователь был отстранен от обязанностей. Исследователи извлекли из этого случая следующий урок: лечение терапевтическими вирусами следует назначать пациентам, ранее не получавшим соответствующие препараты, то есть не имеющим антител к таким вирусам.

У меня есть соседи по квартире – четыре подвижных мелких краба, которые живут в стеклянном шаре (они напоминают мне о детстве и щипцах ERNA для разделки крабов, которые у меня были, когда я росла в Бюзуме на побережье Северного моря, где часто едят крабов). Шар помещается у меня в руке – это целый мир, самодостаточный и полностью герметичный, в нем нет отверстий для добавления чистой воды, или пищи, или воздуха. Внутри шара – вода, несколько мелких белых камешков, образующих грунт. Несколько черных пластмассовых веточек имитируют растения на морском дне. Это герметичный стеклянный шар, внутри которого находится жизнь. На самом деле это аквариум, но только автономный, который не нужно регулярно чистить или добавлять туда корм. Но ему нужен солнечный свет. Однако нужно точно знать, сколько именно солнца – не слишком много, но и не слишком мало. При избытке солнечного света стенки аквариума изнутри покрывают зеленые водоросли. Для решения этой проблемы прилагается небольшой магнит, а другой магнит находится внутри аквариума и используется для удаления цветущих водорослей. Этот стеклянный шар создает эффект линзы, визуально увеличивая размер крабов. Когда я возвращаюсь домой, первое, что я делаю, – иду поздороваться со своими симпатичными маленькими домашними питомцами, и так продолжается уже несколько лет.
Шар – «экосфера», разработанная НАСА 20 лет назад. Предполагалось, что такой стеклянный шар возьмут на орбиту. Вполне возможно, что так и произошло, просто я этого не знаю. В интернете идею таких аквариумов осудили, назвав проявлением жестокости. Однако, если крабы плавают кругами, возможно, они не осознают, что находятся в герметично закрытом пространстве. В этом загадочном шаре, кроме крабов и водорослей, должно быть и нечто другое – невидимые бактерии и, конечно же, вирусы, увидеть которые шансов почти нет.
Солнечный свет стимулирует метаболизм водорослей, крабики питаются водорослями и бактериями, а бактерии переваривают продукты жизнедеятельности крабов, производя питательные вещества. Крабы и бактерии вырабатывают углекислый газ, который необходим водорослям для получения кислорода. Все понятно? До чего же сбалансированное равновесие! Если водорослей будет слишком много, крабики не смогут их переработать; если водорослей будет слишком мало, крабики умрут от голода. Однажды один краб исчез. Отчего он погиб? От голода или отсутствия солнечного света? Каковы бы ни были причины, он, безусловно, распался на молекулы, которые попали в метаболический цикл. Это – и гибель организма, и часть пищевой цепочки.

Медузы используют аналогичное взаимодействие: речь идет о симбиозе, в котором медузы выступают в качестве транспортного средства, но только для водорослей, а не бактерий. На Филиппинах есть озеро Палау, населенное медузами, – 5 млн золотистых медуз в симбиозе с водорослями, вес которых составляет до 10% веса медуз. Водоросли и солнечный свет приводят к образованию кислорода и сахара, то есть пищи для медуз. Медуза транспортирует водоросли для получения пищи. Медузы роем совершают круговые движения, побуждая ученых изучать эту уникальную биологическую систему как пример ранней стадии развития жизни в условиях небольшого объема кислорода. Мы уже упоминали, что не только медузы, но также вирусы и губки обладают светочувствительностью и перемещают своего хозяина поближе к солнечному свету.

Был проведен удивительный эксперимент с «гнотобиотическими» мышами, так называемыми «стерильными» лабораторными мышами, свободными от микробов. Этим мышам переносили фекалии людей с нормальным весом и людей, страдающих ожирением. В результате получили худых и толстых мышей, в соответствии с донором: передача фекалий людей с избыточным весом приводит к развитию толстых мышей, а перенос фекалий худых людей – к худым мышам. Передаваемые фекалии определяли вес мышей-реципиентов, которые в противном случае ничем не отличались бы друг от друга. Однако, когда худых и толстых мышей-реципиентов помещали в одну клетку, худые мыши «инфицировали» мышей с ожирением. «Стройность заразна!» Толстые мыши становились худыми, а не наоборот. Вероятно, причина заключается в том, что мыши, находясь в одной клетке, поедают фекалии друг друга. Микробиом худых мышей «побеждает» и доминирует над микробиомом мышей с ожирением. Микробиомы мышей с ожирением более однообразны, менее сложные, более «ленивые» и характеризуются медленной репликацией. В отличие от них микробиота худых мышей более вирулентна, более гетерогенна, более разнообразна и доминирует над вырождающейся микробиотой. Неужели этот механизм работает только у мышей?

Существует точка невозврата: если микробиом человека, страдающего ожирением, претерпевает «слишком серьезные» изменения, они становятся необратимыми. Если изменения выходят за этот предел, пищевые ограничения могут не дать лечебного эффекта и возвращение к нормальному микробиому кишечника становится невозможным. Как упоминалось выше, человек имеет не только собственный геном, то есть геном человека, но и дополнительный «второй геном», состоящий из бактерий, которые населяют наш организм, добавляя миллионы генов к нашим собственным. Какую роль играют дополнительные гены? Многообразие генов в микробиоме здоровых людей в 4–5 раз больше, чем у людей, страдающих ожирением. Это явление может иметь цифровое выражение и называется «число генов». Число генов у худых людей и у людей, страдающих ожирением, существенно различается. У худых людей бактерий не только больше, но для них характерна гораздо более высокая сложность или вариабельность бактерий в кишечнике; при этом число генов составляло примерно 800 000. У пациентов с большой массой тела количество генов может снижаться приблизительно до 200 000. Низкое число генов в микробиоме означает сокращение числа различных микроорганизмов, то есть снижение многообразия бактерий. Изобилие генов стало критерием хорошего здоровья.

Во время завтрака я затронула постоянно волновавший меня вопрос о терапии против C. diff. Мой коллега тут же упомянул статью из The New York Times и пообещал прислать информацию. А ответ на мой вопрос был следующим: фекальная передача (ФП), то есть перенос кала.
Вернувшись в Цюрих, я сделала подборку сообщений из базы PubMed – самого значимого в мире архива научной литературы по биологии, медицине и т.д. К ФП прибегают с 1950 г., а в научной литературе опубликованы результаты более чем 200 соответствующих исследований, проведенных примерно в 10 странах. К настоящему времени несколько сот пациентов прошли ФП. Даже больным коровам проводили ФП еще 300 лет назад, для чего использовали кал здоровых коров. Это называлось «трансфаунация». Коровы были первыми, на ком опробовали ФТ, – ужасающая картина. В Китае в свое время в терапевтических целях использовали «желтый суп», в состав которого входили ферментированные фекалии человека, и происходило это 3000 лет назад. Бедуины в лечебных целях ели фекалии своих верблюдов.
Для проведения ФП используют клизму – своего рода шприц – и вводят фекалии через задний проход или в кишечник через назальную трубку. Донорами кала обычно бывают родственники пациентов, которые предоставляют чайную ложку фекалий, – этого вполне достаточно. Их разводят, фильтруют и вливают в организм пациента. Чтобы избежать трансмиссии вирусов, в частности вируса гепатита или ВИЧ, нужно предварительно провести несколько диагностических тестов кала донора.