Πώς οι ιοί που μολύνουν βακτήρια θα μπορούσαν να σώσουν ζωές – Biomedical Beat Blog – Εθνικό Ινστιτούτο Γενικών Ιατρικών Επιστημών

«Οι γονείς μου μου είπαν ότι ήθελα ήδη να γίνω επιστήμονας όταν ήμουν 7 ή 8 ετών. Δεν θυμάμαι να σκέφτηκα ποτέ κάτι άλλο», λέει Ry Young, Ph.D.καθηγητής του βιοχημεία, βιοφυσικήκαι βιολογία στο Texas A&M University, College Station.

Ο Δρ. Γιανγκ είναι ερευνητής για περισσότερα από 45 χρόνια και είναι κορυφαίος ειδικός σε βακτηριοφάγους—ιούς που μολύνουν βακτήρια. Αυτός και άλλοι επιστήμονες έχουν δείξει ότι οι φάγοι, όπως αποκαλούνται συχνά οι βακτηριοφάγοι, θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να καταπολεμήσουμε τα βακτήρια που έχουν αναπτύξει αντίσταση σε αντιβιοτικά. Ανθεκτικό στα αντιβιοτικά οι λοιμώξεις προκαλούν περισσότερα από 35.000 θάνατοι ετησίως στις ΗΠΑκαι χρειάζονται επειγόντως νέες, αποτελεσματικές θεραπείες για αυτά.

Ξεκινώντας στην Επιστήμη

Ο Δρ Γιανγκ ήξερε ότι ήθελε να σπουδάσει βιολογία από τη στιγμή που διάβασε ένα παιδικό βιβλίο για τον Λουί Παστέρ. Απέκτησε πτυχίο στο βιοχημεία από το Πανεπιστήμιο Rice, στο Χιούστον, στο Τέξας, και επρόκειτο να ξεκινήσει διδακτορικό. πρόγραμμα όταν έλαβε προσχέδιο ειδοποίησης από τον στρατό. Ο Δρ Γιανγκ πέρασε 3 χρόνια στο Ναυτικό και διάβαζε βιβλία βιολογίας στον ελεύθερο χρόνο του.

Μετά την ολοκλήρωση της στρατιωτικής του θητείας, ο Δρ. Γιανγκ μπήκε στο διδακτορικό της μοριακής βιολογίας. πρόγραμμα στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας, όπου πραγματοποίησε τη διδακτορική του έρευνα για τον έλεγχο των βακτηριδίων ριβόσωμα σύνθεση. Χρησιμοποιούσε φάγους ως εργαλεία για να κινηθεί DNA μεταξύ βακτηρίων, αλλά οι ιοί δεν ήταν το επίκεντρό του.

Ο Δρ Γιανγκ συνέχισε να εργάζεται ως μεταδιδάκτορας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ της Βοστώνης. Εκεί, μελέτησε βακτηριακά τρανσποζόνια, γνωστά και ως «άλμα γονίδια”—αλληλουχίες DNA που μπορούν να αλλάξουν θέση μέσα στο γονιδίωμα. Και πάλι, χρησιμοποιούσε φάγους ως εργαλεία και αυτό οδήγησε σε μια ανακάλυψη που άλλαξε την πορεία της καριέρας του.

Καταδύσεις στη βασική βιολογία των βακτηριοφάγων

Μια μέρα το 1976, ο Δρ Γιανγκ ετοίμασε δύο φιάλες βακτηριακής καλλιέργειας. Και τα δύο ήταν γεμάτα με θολό υγρό και πρόσθεσε φάγους που περιείχαν ένα τρανσποζόνιο στο ένα και φάγους που δεν περιείχαν στο άλλο. Μετά από περίπου 45 λεπτά, κοίταξε κάτω και, προς έκπληξή του, είδε το υγρό στη μία φιάλη να γίνεται γρήγορα διαυγές ενώ η άλλη παρέμενε θολό. «Ένας ολόκληρος πολιτισμός μόλις εξαφανίστηκε μπροστά στα μάτια μου», λέει. Η αύξηση της διαφάνειας έδειξε ότι τα βακτήρια είχαν ανοίξει, μια διαδικασία γνωστή ως λύση, αλλά συνέβη μόνο στο υγρό που περιείχε τον φάγο χωρίς το τρανσποζόνιο.

Η βακτηριακή λύση θεωρείτο από καιρό ότι είναι μια παθητική διαδικασία που συνέβη όταν ένα βακτηρίδιο κύτταρο δεν μπορούσε να διατηρήσει την εσωτερική του ισορροπία. Όμως, οι παρατηρήσεις του Δρ. Γιανγκ πρότειναν ότι οι φάγοι όχι μόνο μπορούσαν να μολύνουν βακτήρια αλλά και σκόπιμα να πυροδοτήσουν τη λύση. Ωστόσο, το υγρό που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με φάγους που περιείχαν τρανσποζόνιο παρέμεινε θολό – κάτι που συνειδητοποίησε ο Δρ. Γιανγκ ήταν επειδή το τρανσποζόνιο μεταπήδησε σε ένα ιικό γονίδιο που βοηθά τους φάγους να προκαλέσουν βακτηριακή λύση και σταμάτησε να λειτουργεί.

Ο Δρ. Γιανγκ γοητεύτηκε από την αποκάλυψη, αλλά η βακτηριακή λύση που προκλήθηκε από φάγους δεν έγινε το επίκεντρο της έρευνάς του μέχρι που εντάχθηκε στη σχολή του Texas A&M το 1978 και έλαβε χρηματοδότηση NIGMS για την εργασία του στους φάγους. Ανακάλυψε τελικά δύο τρόπους με τους οποίους οι φάγοι προκαλούν την έκρηξη των βακτηρίων: τη λύση πολλαπλών γονιδίων και τη λύση ενός γονιδίου. Η πολυγονιδιακή λύση, όπως υποδηλώνει το όνομα, περιλαμβάνει περισσότερα από ένα γονίδια του φάγου. Είναι η πιο σύνθετη από τις δύο διαδικασίες, η μόνη με α μοριακός ρολόι (που σημαίνει ότι η λύση γίνεται σε μια ακριβή ώρα και όχι τυχαία) και αυτό που παρατήρησε για πρώτη φορά ο Δρ. Γιανγκ στα πειράματά του με τις δύο φιάλες καλλιέργειας.

Η λύση ενός γονιδίου απαιτεί μόνο ένα γονίδιο, το οποίο περιέχει τις οδηγίες για α πρωτεΐνη που πυροδοτεί τη λύση ανεξάρτητα. Κάθε ένας από τους χιλιάδες φάγους που χρησιμοποιούν λύση ενός γονιδίου δημιουργεί τη δική του μοναδική πρωτεΐνη. «Ο τρόπος που το βλέπω είναι ότι κάθε πρωτεΐνη δείχνει ένα κουμπί αυτοκαταστροφής κάπου στα βακτήρια», λέει ο Δρ Γιανγκ. Τα περισσότερα διαθέσιμα σήμερα αντιβιοτικά σκοτώνουν τα βακτήρια παρεμβαίνοντας στο χτίσιμο των κυτταρικών τοιχωμάτων τους, αλλά ορισμένα βακτήρια το έχουν κάνει μεταλλαγμένος έτσι τα αντιβιοτικά δεν είναι πλέον αποτελεσματικά. Ο Δρ Γιανγκ ελπίζει ότι ο εντοπισμός των βακτηριακών «κουμπιών» θα επιτρέψει σε άλλους ερευνητές να αναπτύξουν νέα αντιβιοτικά που θα τα στοχεύουν.

Το μέλλον των φάγων

Εκτός από την εργασία του για τη λύση που προκαλείται από φάγους, ο Δρ. Γιανγκ έχει συμβάλει στην ανάπτυξη θεραπειών φάγων, οι οποίες χρησιμοποιούν τους ίδιους τους φάγους για τη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων. Το 2016, βοήθησε στη δημιουργία ενός από τα δύο μείγματα φάγων που χορηγήθηκαν σε έναν ασθενή που είχε μολυνθεί από ανθεκτικό στα αντιβιοτικά Acinetobacter baumanii βακτήρια βάσει ειδικού πρωτοκόλλου για πειραματικές θεραπείες. Ο ασθενής ανάρρωσε πλήρως, και έγινε το πρώτο άτομο στις Ηνωμένες Πολιτείες που έλαβε επιτυχώς ενδοφλέβια θεραπεία φάγου. Ο Δρ Γιανγκ και οι Κέντρο Τεχνολογίας Φάγωντην οποία διευθύνει, έκτοτε βοήθησαν στη θεραπεία αρκετών ακόμη ασθενών.

Οι θεραπείες ήταν όλες η τελευταία λύση για ασθενείς χωρίς άλλες επιλογές. Όταν ρωτήθηκε πώς πιστεύει ότι θα είναι το μέλλον των θεραπειών με φάγους, ο Δρ Γιανγκ απαντά: «Λέω στους μεταπτυχιακούς φοιτητές μου ότι το «δεν ξέρω» είναι οι τρεις πιο σημαντικές λέξεις στην επιστήμη». Λέει ότι δεν είναι σαφές εάν οι θεραπείες με φάγους μπορούν να διατεθούν στο εμπόριο με επιτυχία για διάφορους λόγους – ένας από αυτούς είναι το γεγονός ότι οι φάγοι είναι πολύ ειδικοί έναντι ενός μεμονωμένου τύπου βακτηρίων αντί να είναι σε θέση να θεραπεύσουν μια μεγάλη ποικιλία βακτηριακών λοιμώξεων. Εάν διατεθούν στο εμπόριο, το ένστικτό του είναι ότι οι θεραπείες θα προορίζονται για λοιμώξεις που δεν μπορούν να θεραπεύσουν τα αντιβιοτικά.

Οι θεραπείες με φάγους έχουν αναζωπυρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον για τη βιολογία των φάγων, η οποία φαινόταν να είναι ένα πεθαμένο πεδίο για το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του Δρ. Γιανγκ. Για πρώτη φορά εδώ και δεκαετίες, νέοι ερευνητές ξεκινούν εργαστήρια με επίκεντρο τους φάγους. «Νομίζω ότι τώρα θα υπάρξει μια αναγέννηση, αλλά πλησιάσαμε πολύ κοντά στο να είμαστε ένα πεδίο που μόλις έληξε», λέει ο Δρ. Γιανγκ.

Ο Δρ Γιανγκ αποσύρεται από τη διδασκαλία την άνοιξη του 2022, αλλά σχεδιάζει να συνεχίσει την έρευνά του. Όταν ρωτήθηκε τι περιμένει με ανυπομονησία για τη σύνταξη, λέει, «Η γυναίκα μου και εγώ αγοράζουμε ένα σκάφος και θα ξοδέψουμε πολύ χρόνο σε αυτό. Αλλά το πραγματικά διασκεδαστικό μέρος είναι να ξέρω ότι μπορώ να σηκώνομαι κάθε πρωί και να πηγαίνω στο εργαστήριο και να μην σκέφτομαι τίποτα εκτός από πειράματα».

Η έρευνα του Δρ. Young υποστηρίζεται από την επιχορήγηση NIGMS R35GM136396.