Біоінформатики знайшли секрет стійких до антибіотиків бактерій
У кишечнику людини живуть трильйони різних бактерій, сукупність яких називається мікробіом. Бактерії захищають людину від шкідливих мікроорганізмів, виробляють травні ферменти та сприяють нормальній роботі імунної системи. Багато захворювань, таких як ожиріння, хвороба Крона, рак товстої кишки та інші запальні процеси пов'язані зі зміною мікробіоми. Вчені побудували модель взаємодії між двома видами бактерій та кишечником і розрахували, що відбувається при прийомі антибіотиків, що вбивають значну частину мікроорганізмів.
Дослідників цікавило кілька важливих питань. По-перше, вчені порушили питання про те, з якою швидкістю відновлюється чисельність бактерій після антибіотикотерапії. По-друге, інтерес представляла частка бактерій, на яких антибіотики не діють і, нарешті, нова модель детально описувала процес зворотного зв'язку між бактеріями та кишковою стінкою. Стінка кишечника активно поглинає одні речовини та виділяє інші, що впливають на чисельність бактерій та їхнє «самопочуття»: без коректного подання подібних процесів складно отримати адекватні результати.
Речовини, що виділяються бактеріями та стінками кишечника, у новій моделі зайняли одне з центральних місць. Ці сполуки, що утворюються при бактеріальному бродінні вуглеводів, можуть грати відразу кілька функцій: наприклад, бути токсином для бактерії одного та «їжею» для бактерій іншого виду. Якщо одні бактерії починають виділяти занадто багато речовини, яка для них отруйна, їх кількість автоматично зменшується — і в цьому випадку вчені говорять про негативний зворотний зв'язок. Кишкова стінка теж може виділяти або шкідливі для бактерій (але не себе!) З'єднання, або, навпаки, ті вуглеводи, які мікроорганізми можуть засвоїтияк поживні речовини.
Механізм зворотного зв'язку між бактеріями різних типів та кишковою стінкою: (5) Виробляючи токсин, бактерії одного типу контролюють кількість бактерій іншого типу; (С) Стінка кишечника виробляє токсин, який шкідливий для одного типу бактерій і поживний для іншого; (D) Стінка кишечника контролює поширеність усіх видів бактерій; (E) Стінка кишечника стінка виробляє поживні для бактерій речовини. Джерело: прес-служба МФТІ
Модель складних систем також дала можливість спостерігати за взаєморозташуванням штамів у кишечнику і за тим, як їхнє становище змінюється після виділення кишкової стінкою або бактеріями тих чи інших речовин. Візуалізація моделі показала, що просторова структура є ключовим фактором, який допомагає бактеріям вижити і адаптуватися до умов навколишнього середовища, що змінюються.
Використовуючи модель, вчені змогли довести, що навіть після антибіотикотерапії вразливих до дії антибіотика бактерій може виявитися більше ніж тих, які стійкі до ліків (резистентні). Цей висновок може здатися суперечливим, проте насправді це так: річ у тому, що стійкість до антибіотиків дається мікроорганізмам дорогою ціною. Антибіотики працюють за рахунок порушення життєво важливих для мікробів біохімічних механізмів (наприклад, блокування синтезу білків або дихальних ферментів), тому вижити вони можуть або за рахунок серйозних змін у структурі ключових білків, або за рахунок виробництва молекул, що нейтралізують ліки. Змінюючи свої біохімічні процеси або витрачаючи ресурси на додаткові хімічні реакції, бактерії неминуче програють в ефективності: повільніше споживають «їжу», повільніше діляться і тому далеко не факт, що такімікроби витіснять звичайних. Те, що в нашому житті найчастіше антибіотикорезистентні штами все ж таки починають чисельно домінувати — важливий як з наукового, так і з медичного погляду результат.
Спостереження за положенням бактерій у кишечнику на моделі також дозволило пояснити можливий виграш стійких штамів, які могли програти менш стійким, проте швидким конкурентам. Наявність ділянок, заселених переважно якимось одним видом, відіграє, на думку вчених, тут ключову роль — у таких місцях «повільні, але стійкі» просто пригнічують конкурентів. На співвідношення резистентних та чутливих бактерій також впливають механізми зворотного зв'язку, виділення та поглинання речовин кишковою стінкою. Чим більше механізмів зворотного зв'язку задіяно, тим повільніше скорочується кількість чутливих бактерій, тоді як резистентні штами гинуть швидше. Подальші роботи у цьому напрямі на думку дослідників виявляться корисним для розуміння фундаментальних причин появи антибіотикорезистентних бактерій та розробки лікарських засобів, спрямованих проти патогенних бактерій.
Біофізика та системний підхід
Кишковий мікробіом — це нетиповий для «класичного Фізтеху» об'єкт: МФТІ з моменту свого заснування був відомий як центр підготовки фізиків з акцентом на прикладні та інженерні напрямки на кшталт мікроелектроніки, авіакосмічної промисловості чи інформаційних технологій. Однак останніми роками інститут узяв курс на область life science — причому не лише у стінах факультету біологічної та медичної фізики, а й у межах «чисто фізичного» ФОПФ — на факультеті загальної та прикладної фізики з'явилася своя кафедра біофізики. На території кампуса збудовано біофармацевтичний корпус, відкрито нові.лабораторії для вивчення структури білків та проводяться спеціалізовані конференції.
Цей рух фізиків до біології не випадковий. Сучасна біологія та медицина оперує одночасно і складними фізико-хімічними методами (наприклад, детальні моделі молекул білка отримують за допомогою рентгенівських лазерів та прискорювачів), та величезним обсягом даних, проаналізувати які можна лише з використанням потужної обчислювальної техніки та грамотно оптимізованих алгоритмів. Поєднання великих даних з біологічною специфікою породило навіть окрему дисципліну - біоінформатику.