Від великого отруєння оливками до нового слова у медицині: як вчені "приручили" ботулотоксин

Науковці з'ясували, як бактерія Clostridium botulinum, що виробляє смертельно небезпечний ботулотоксин, стала основою для препаратів, які масово використовують у медицині та індустрії краси.

Дослідники проаналізували геноми понад тисячі зразків бактерії та виявили генетичну мутацію, яка могла сприяти її пристосуванню до лабораторних умов, пише Science.

"Лабораторне виробництво ботулінічного нейротоксину (BoNT) розпочалося понад 90 років тому для медичних, військових, а згодом і фармацевтичних потреб. Так виник один із найтриваліших прикладів вирощування мікроорганізмів в умовах тривалого контролю з боку людини. 

У 1942 році американські військові вивели одну лінію бактерії Clostridium botulinum групи I – Army Hall A (AHA), від якої згодом пішов Hall A-hyper (HAH) – штам, який широко використовують для фармацевтичного виробництва BoNT. Ми проаналізували понад 1000 геномів C. botulinum, щоб визначити найближчих родичів AHA та встановити найновішого спільного предка, якого цей штам має з найближчою до нього лінією", – йдеться у препринті дослідження.

Препринт опублікували у виданні Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). А науковець Джон Коен розписав деталі роботи колег для Science.

Як ботулотоксин з отрути перетворився на ліки

Clostridium botulinum – це бактерія, що виробляє нейротоксин, який порушує передавання нервових імпульсів, паралізує м'язи й може призвести до смерті через задуху. Цей токсин, відомий як BoNT, є однією з найсмертоносніших природних речовин.

За відсутності кисню (наприклад, у консервах) спори C. botulinum можуть "прокинутися" й перетворитися на бактерії, які виробляють токсин.

Це сталося зі спорами, що потрапили в банки з каліфорнійськими оливками під час так званого "Великого отруєння оливками" 1919 року. Тоді загинули 5 людей, зокрема двоє дітей. В іншій частині США померли ще 9 осіб.

Трагедії поставили під загрозу розвиток консервної промисловості й дали поштовх новій хвилі мікробіологічних досліджень. Серед дослідників, які долучилися до цієї роботи, – бактеріолог Каліфорнійського університету Айвен Кліффорд Голл.

Голл зібрав колекцію ізолятів C. botulinum – окремих культур бактерії, виділених із різних зразків. Одна з них, Hall A, стала основним лабораторним штамом, який багаторазово розмножували.

У процесі той "одомашнився" – змінився внаслідок еволюції, спрямованої діяльністю людини, подібно до багатьох рослин, тварин і мікроорганізмів.

Hall A втратив здатність утворювати спори, що полегшило науковцям очищення BoNT. Водночас бактерія почала виробляти надзвичайно велику кількість токсину. Користуючись цим, з 1942 року американці використовували його для розробки біологічної зброї та вакцини проти ботулотоксину.

На початку 1960-х років ЦРУ розробило план убивства кубинського лідера Фіделя Кастро за допомогою біологічної зброї: його сигари збиралися забруднити ботулотоксином, але зрештою цього не зробили. У 1969 році США відмовилися від програми біологічної зброї, а через три роки підписали відповідну конвенцію.

Приблизно в той самий час військовий дослідник перевіз субкультуру Hall A до Вісконсинського університету, де почав працювати. Звідти штам потрапив до каліфорнійського офтальмолога, який проводив експерименти на мавпах. Він хотів з'ясувати, чи може BoNT розслабляти очні м'язи, щоб розробити лікування косоокості.

"Це справді історія про перетворення мечів на рала", – каже мікробіолог Пол Кейм із Університету Північної Аризони, перший автор нового дослідження.

У 1980-х роках британський мікробіолог Енді Пікетт та інші науковці у співпраці з фармацевтичними компаніями з'ясували, що мільярдні частки грама BoNT, виробленого нащадками Hall A, можуть лікувати косоокість у людей.

У 1989 році Управління з контролю за якістю харчових продуктів і лікарських засобів США (FDA) схвалило очищений токсин для лікування косоокості та спазмів повік.

Однак згодом пацієнти помітили, що під дією препарату у них зникли мігрені та розгладилися зморшки на обличчі.

Виявилося, що невеликі дози препарату, відомого нині як ботокс, тимчасово паралізують м'язи обличчя, що утворюють зморшки навколо очей, на лобі та біля носа.

Нині ботокс – один із кількох десятків препаратів, що містять BoNT. Між компаніями, які їх виробляють, виникли судові суперечки щодо прав власності та виробничих секретів.

Пікетта неодноразово залучали до таких справ як експерта. Так само й Пола Кейма, який раніше співпрацював із ФБР, допомагаючи встановити походження сибірської виразки, використаної під час серії атак у 2001 році.

Щоб розібратися у відмінностях між штамами, які стали предметом судових суперечок, Кейм запропонував адвокатам залучити Річарда Ленскі – еволюційного біолога з Університету штату Мічиган.

У 1988 році той розпочав відомий експеримент: узяв 12 однакових популяцій Escherichia coli й десятиліттями спостерігав за їхньою еволюцією. Дослідження, що охопило майже 85 тисяч поколінь бактерій, триває досі.

У межах роботи над судовою справою дослідники побудували родоводи C. botulinum на основі загальнодоступних послідовностей геномів і тих, які вони самостійно визначили.

З'ясувалося, що Army Hall A та його комерційні нащадки розташовані на "неочікувано довгій гілці" генеалогічного дерева бактерій. Це свідчить про те, що штами цієї лінії накопичували мутації набагато швидше за споріднені бактерії, пояснює Ленскі, співавтор препринту PNAS.

"Це нагадало нам те, що ми спостерігали в експериментах з E. coli", – каже він.

У тих дослідженнях деякі штами, які розмножували в лабораторії, починали мутувати швидше, ніж зазвичай. Причиною був дефект гена, що бере участь у відновленні ДНК.

За пропозицією Ленскі Кейм і фахівця з мікробної геноміки з Університету Північної Аризони Джейсона Сала, вчені почали шукати подібні дефекти у споріднених штамів Hall A. І виявили мутацію в гені mutS.

Кейм вважає, що мутація, найімовірніше, виникла під час роботи Голла зі штамом. У природі вона могла б швидко зникнути, але в лабораторії закріпилася, зокрема тому, що науковці віддавали перевагу культурам C. botulinum, у яких проявлялися її ефекти.

Ген mutS у нормі допомагає підтримувати точність копіювання ДНК. Мутація порушила цю систему, а лабораторні умови сприяли поширенню зміненого штаму. Він перестав витрачати енергію на утворення спор, краще розмножувався й виробляв незвично велику кількість токсину.

"Тепер метаболічні процеси бактерій налаштовані на життя в лабораторії, а не в природному середовищі", – пояснює Кейм.

На думку Гона Лея, офтальмолога й невролога, який спеціалізується на рухових розладах і використовував BoNT для різних медичних потреб, дослідження пропонує "захопливий погляд" на історію штаму Hall і спрямованого людиною добору.

"Результати підкреслюють, що біологічні лікарські засоби походять від живих організмів, подальша еволюція яких може впливати на виробництво, стабільність властивостей препаратів і розробку ліків у майбутньому", – також зазначає Лей.

Енді Пікет також відзначив, що дослідження привернуло увагу до Айвена Голла, якого вважає несправедливо забутим героєм науки. Частина його колекції анаеробних організмів потрапила до інших лабораторій, але ще деяка частина – не збереглася.

Нагадаємо, раніше медики пояснили, чи варто колоти ботокс у 20-річному віці, щоб запобігти утворенню зморшок.