Предисловие
Схватка в микроскопических джунглях
Где бы вы ни находились, вокруг вьются, ползают и парят мириады удивительных существ, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Все эти мельчайшие обитатели флоры и фауны изучаются наукой микробиологией, ставшей феноменально популярной после распространения коронавируса.
Обычно мы представляем себе эти микроорганизмы как отдельные клетки, вращающиеся вокруг своей оси. Но в действительности микробы собираются миллионами, формируя тем самым огромные сообщества, известные как биопленки.
Не так давно в структуре бактериальных биопленок впервые обнаружилась сеть проводящих канальцев: через них внутрь поступают питательные вещества, и через них же мы сможем доставить антибиотики сквозь «защитные линии» микробов.
Надо сказать, что уничтожить бактериальную клетку саму по себе не так уж сложно, но вместе они способны быстро формировать биопленки, чрезвычайно устойчивые к внешним воздействиям. Такие сообщества напоминают микроскопические крепости, огражденные от внешней среды стеной специальных веществ. Лекарственным препаратам трудно проникнуть внутрь, да и враждебным чужим бактериям не просто преодолеть это препятствие.
Мы знаем о биопленках в водопроводе и даже на медицинских инструментах. Избавиться от них далеко не просто, поэтому микробиологи настойчиво ищут способы атаковать эту бактериальную крепость в обход.
Анализируя микроскопические изображения биопленок, ученые заметили, что, несмотря на свою кажущуюся непроницаемость, биопленки пронизаны сетью микроскопических каналов, которые, видимо, служат для поглощения и распределения питательных веществ между клетками в сообществе. Их можно сравнить с тайными ходами в крепости, ведущими к источнику свежей воды, – и, как всякие тайные ходы, проходят они глубоко внизу.
Каналы поглощают питательные вещества снизу и транспортируют их наверх, тогда как традиционная обработка антибиотиками производится с верхней стороны биопленки. Но раз ученые обнаружили тайный ход снизу, то в будущем они смогут доставлять по нему препараты внутрь «ограждения», чтобы нейтрализовать бактерии быстро и эффективно.
Ученые показали, как микроорганизмы приспосабливаются к болезни носителя. В первую очередь микробы меняют свой рацион. Бактерии и карта их метаболизма помогут предупреждать заболевания.
Если человек испытывает проблемы с микрофлорой, это может обернуться для здоровья большими проблемами. Но как реагируют на заболевания сами микроорганизмы? На этот вопрос попытались ответить российские ученые. Для этого они в тысячах опытов исследовали поведение микробов в здоровом и больном организме.
Объем полученных данных оказался таков, что для его анализа пришлось задействовать суперкомпьютеры Stampede и LoneStar. Ученые решили смоделировать пародонтит – воспалительное заболевание тканей пародонта. При этом заболевании общий состав микроорганизмов остается неизменным.
Оказалось, что во время болезни у микроорганизмов резко меняется обмен веществ. К примеру, если живущие в здоровом теле бактерии питаются фруктозой, то в случае заболевания они могут перейти на другие виды сахаров. Таким образом выяснилось, что, имея данные про обмен веществ, можно с легкостью влиять на популяцию бактерий.
Эти исследования очень помогли в составлении планов преодоления коронавирусной инфекции, когда потребовалось определить биологические маркеры-признаки заболевания. Иными словами, оказалось, что ряд болезней можно выявить задолго до появления первых симптомов. Особенно актуально это звучит, когда речь идет о борьбе со вторичными волнами коронавирусной инфекции.
Практически во всех первых случаях COVID-19 люди заражались исходным китайским штаммом, который затем мутировал весной 2020 года в Италии. Там коронавирус несколько недель незаметно распространялся, после чего разошелся по всему миру и продолжил свои мутации.
В настоящее время в мире в основном распространяются итальянский, британский и южноафриканский штаммы коронавируса, которые мутировали в самых различных частях света. Причем каждая разновидность коронавируса обладает своими опасными свойствами – например, вызывает цитокиновый шторм[1].
Клетки иммунной системы выделяют цитокины, которые должны предупредить другие клетки той же системы о наличии опасного вируса. Однако если иммунитет не смог в нужной степени ограничить размножение коронавируса, то цитокинов станет слишком много. Избыточная ложная тревога может просто убить организм за счет сильнейших воспалительных процессов.
Если в очаге коронавирусной инфекции слишком много клеток иммунной системы (что типично для тяжелых больных), то цитокины, попадающие на поверхность соседней иммунной клетки, заставляют ее сильнее вырабатывать собственные цитокины. В итоге концентрация этих молекул повышается так сильно, что наступает цитокиновый шторм.
