[Перевод] Как грязь может спасти человечество от инфекционного апокалипсиса
Никто ещё не прочёсывал Центральный парк в поисках лекарств так, как это делает Шон Брэйди [на американском разговорном жаргоне лекарства и наркотики обозначаются одним словом drugs / прим. перев.]. В один душный четверг он прыгает в жёлтое такси, пересекает Пятое авеню, и несётся по грунтовой дорожке. Нас окружает всепроникающий стрёкот вертолёта, а гудки автомобилей прорываются сквозь деревья. Брэйди, быстро говорящий химик возрастом далеко за 40 лет, с коротко остриженными седеющими волосами и очками без оправы, саркастически и самоуничижительно шутит на тему своих крайне целеустремлённых поисков. Он нарезает круги без устали. Рядом с озером мы направляемся по каменистому склону в укромное место. Брэйди наклоняется и поднимает щепотку пыльной почвы. «Из этого клочка почвы, — говорит он, — можно извлечь достаточно материала для ДНК-анализа». Он недолго держит почву в руке, а затем выбрасывает. Песчинки стеклянного кварца блестят в солнечном свете.
Брэйди создаёт лекарства из грязи. Он уверен, что верхние слои почвы нашей планеты — это невероятные, неистощимые источники неоткрытых антибиотиков, химического оружия, которое бактерии используют для защиты от других микроорганизмов. Не он один думает так же, но проблема в том, что большую часть бактерий нельзя вырастить в лаборатории —, а это необходимый шаг в деле культивации антибиотиков.
Брэйди нашёл способ обойти это ограничение, открывающий путь ко всем этим неиспользуемым бактериям, живущим в грязи. Клонировав ДНК, извлечённую из грязевого супа, и внедрив эти чужие последовательности генов в микроорганизмы, которых можно выращивать в лаборатории, он разработал метод открытия антибиотиков, которые вскоре смогут лечить инфекционные заболевания и бороться с микроорганизмами, устойчивыми к лекарствам. В начале 2016 года Брэйди открыл компанию Lodo Therapeutics (lodo на испанском и португальском означает «грязь»), чтобы масштабировать производство и в итоге помочь человечеству перегнать инфекционные заболевания, наступающие нам на пятки. Некоторые коллеги называют этот подход «прогулкой в парке» [фразеологизм «прогулка в парке» означает очень лёгкое решение какой-либо задачи / прим. перев.]. И действительно, лаборатория недавно отправила две группы из студентов-добровольцев собирать грязь в мешки в 275 разных точках Нью-Йорка.
Шон Брэйди находится в поисках путей возрождения индустрии антибиотиков
Мы возвращаемся по их следам назад в лабораторию, наступая ботинками на потенциальное лекарство почти для всех мыслимых болезней. «Это ведь удивительно, правда?» — говорит Брэйди, с трудом дыша. «Прямо здесь мы можем… найти… все лекарства… мира. Это же круто».
В тот момент, когда мы с Брэйди гуляем по Центральному парку, 70-летнюю женщину привозят в госпиталь города Рино, шт. Невада, с инфекцией, которую не может вылечить ни один врач. Женщина упала во время поездки в Индию, и у неё под кожей бедра скопилась тканевая жидкость. Она прилетела обратно в США, а затем, через две недели, умерла. В отчёте Центров по контролю и профилактике заболеваний США говорится, что микроорганизм, убивший её, мог выжить, столкнувшись с 26 разными антибиотиками. Обвиняемый, Klebsiella pneumoniae, не единственный антибиотикорезистивный микроорганизм, прорывающий защиту человечества — он принадлежит к семейству энтеробактерий, стойких к карбапенемам. Карбапенемы — лекарства последней очереди, и Центр по контролю и профилактике заболеваний считает организмы, не поддающиеся этим лекарствам, «кошмарами».
Одна из проблем с сопротивляемостью к антибиотикам состоит в том, что для большинства людей эта информация остаётся довольно абстрактной — пока что летальных случаев относительно мало. Мало кто из нас потерял своих близких людей таким образом. Попадающий в заголовки золотистый стафилококк, устойчивый к метициллину (MRSA) убивает в США по 20 000 людей в год, по сравнению с 600 000 жертвами рака. Поэтому довольно сложно представить будущее, напоминающее прошлое, когда антибиотиков не было — эру непобедимого стафилококка, стрептококка, туберкулёза, лепры, пневмонии, холеры, дифтерии, скарлатины, родильной горячки, дизентерии, тифа, менингита, газовой гангрены и гонореи.
Но именно к такому будущему мы и идём. Повседневное использование антибиотиков и безответственное обращение с ними ускоряет появление сопротивляемости к ним у людей и животных. Мы быстро движемся назад к миру, где смертность начинается в детском возрасте, где умирают недоношенные дети, где новорожденные слепнут от гонореи. Обыкновенные травмы оборачиваются инфекциями, опасными для жизни. Можно лишиться конечности, или жизни, от неосторожного обращения с ножом для чистки овощей или от случайного падения в Индии. Риски от пересадки органов или медицинских имплантатов будут пересиливать любые возможные преимущества. Совершите обычный визит к хирургу-дантисту и в итоге окажетесь в мешке для трупов. Взрывные вирусные эпидемии вроде гриппа особенно смертельны, если они развиваются в паре с бактериальными инфекциями вроде стрептококков. Эта эпидемия не грозит нам — она уже среди нас, и она несёт с собой конец медицины, какой мы её знали. Именно поэтому поиски Брэйди, направленные на возрождение открытий антибиотиков, так важны.
Брэйди призвал людей со всего мира высылать ему почву, и в результате у него скопилась целая комната зип-пакетов с грязью.
Брэйди иногда описывает свою работу как некие археологические раскопки: он изучает останки микробных цивилизаций.
С 1939 года, когда Рене Жюль Дюбо, исследователь из Рокфеллеровского университета, размазал грязь по чашке Петри и выделил антибиотик грамицидин, поиск антибиотиков в основном был завязан на культуры бактерий и ограничен процентом бактерий и грибов, растущих в лаборатории. И если шанс найти новый антибиотик в случайной пробе почвы когда-то оценивался, как 1 к 20 000, то сейчас эта вероятность уменьшилась до одного к миллиарду. Все лёгкие варианты уже найдены.
Исторически этот поиск пронизан случайными открытиями. Штамм грибов, использовавшихся для изготовления пенициллина, появился на заплесневелой канталупе; хинолоны были найдены в испорченной партии хинина; микробиологи впервые выделили бацитрацин, ключевой ингредиент мази «Неоспорин», из заражённой раны девушки, попавшей под грузовик. Другие антибиотики появлялись в диких, удалённых местах земного шара: цефалоспорин пришёл из канализации на Сардинии; эритромицин с Филиппин; ванкомицин с острова Борнео; рифампицин с Французской Ривьеры; рапамицин с острова Пасхи. Убеждая нужные микробы расти при определённых условиях, мы раскапываем медицинскую химию, сражающуюся с нашими собственными микроскопическими врагами. Но, несмотря на технический прогресс в робототехнике и химическом синтезе, исследователи продолжали заново открывать многие легко выделяемые антибиотики, из-за чего этот метод «старой школы» получил ироническое прозвище: «размельчай и открывай» [grind and find].
Потому Брэйди и другие обратились к метагеномике — исследованию генетической информации, извлечённой из определённой окружающей среды. Техника появилась в конце 1980-х, когда микробиологи начали клонировать ДНК напрямую из морской воды и почвы. С природной ДНК, извлечённой и нарезанной на кусочки, можно работать в лаборатории, вставляя фрагменты чужих генов в такие бактерии, как кишечная палочка (E. coli), создавая то, что известно как «искусственная хромосома». В этих клонах содержатся библиотеки, живое хранилище всех геномов всех микробов, найденных в определённых местах.
Используя высокопроизводительное секвенирование ДНК, учёные начали проводить поиск в этих библиотеках, и их перепись выдала такое астрономическое биоразнообразие, что они начали добавлять новые ветви к древу жизни. По некоторым подсчётам, на Земле живут более триллиона видов микробных организмов. В единственном грамме почвы может содержаться до 3000 видов бактерий, и у каждой из них четыре миллиона базовых пар ДНК намотано на единственную круговую хромосому. Следующие шаги продиктовала простая логика: найди новое генетическое разнообразие, и найдёшь новое химическое разнообразие.
В Lodo химики извлекают и очищают органические молекулы, разыскивая новые химические структуры, и, возможно, ту самую единственную идеальную молекулу, способную спасти миллионы жизней
В 1998 году Брэйди работал в команде, подготовившей простую стратегию по извлечению ДНК из живущих в грязи микроорганизмов, подразумевавшую смешивание грязи с детергентом, вставку фрагментов генов в E. coli, и размножение клонов в чашках Петри с целью понять, что у них получилось. К тому времени, когда Брэйди организовал собственную лабораторию в Рокфеллеровском университете в 2006 году, он создал довольно много новых сложных структур. У некоторых были противораковые свойства, иные работали, как антибиотики. Он изучал ДНК, выловленную из цистерны в Коста-Рике, заполненной бромелиевыми, и создал пальмитойлпутресцин [palmitoylputrescine], антибиотик, эффективно справлявшийся в пробирке с устойчивыми формами сенной палочки. Брэйди понял, что ему не нужно бороздить нетронутые и удалённые экосистемы, чтобы изучать биоразнообразие мира. Нужный материал для создания новых лекарств можно было найти гораздо ближе к дому.
Всё это время Брэйди наблюдал за тем, как устойчивость к антибиотикам опережает замедляющуюся череду открытий. По большей части в этом виновата фармацевтическая индустрия. Чтобы провести новое лекарство через клинические испытания и протестировать его на людях, требуется в среднем 10 лет и несколько миллиардов долларов. В лучшем случае удачи добивается одно из пяти лекарств, поэтому финансовые возвраты не соответствуют огромной ценности, которую антибиотики представляют для общества. Часть вины лежит на природе и применении лекарств: чем больше мы используем антибиотики, тем менее эффективными они становятся; чем больше выборочного давления мы применяем, тем более вероятно появление устойчивых штаммов.
Поэтому антибиотики, такие, как карбапенемы, использующиеся для лечения наиболее смертельных патогенов, хранятся как крайние средства на случай, когда ничего больше не помогает. Смертельно больные пациенты принимают антибиотики последней очереди, и либо умирают, либо выздоравливают; в любом случае, их нельзя назвать постоянными клиентами, в результате чего на вложенные в разработку средства прибыль получается пренебрежимо малой или отрицательной. А ждать, пока рынок таких жизненно важных антибиотиков достигнет критической массы и станет прибыльным — значит, напрашиваться на катастрофу. Как поясняет Ричард Ибрайт [Richard Ebright], исследователь из Ратгерского университета: «К сожалению, к тому времени вы получите 10 миллионов человек, которые умрут за последующие десять лет, пока вы будете заняты перезагрузкой системы». По некоторым прикидкам, антибиотики занимают всего 1,5% от разработки новых химических соединений. Согласно некоммерческой организации «Благотворительные фонды Пью», менее половины лекарств, находящихся в разработке, нацелены на высокоприоритетные патогены, например, на устойчивые к лекарствам формы стафилококка и туберкулёза. А это самые смертельные болезни в мире, и они находятся на первых местах в списке целей Брэйди.
Бактерии размножаются в жидком бульоне, цветом, часто напоминающим шоколадный напиток, а запахом — свежую землю, будто только что вырытая яма
Lodo основана с целью предоставить спасающие жизни лекарства пациентам в следующие 10–20 лет
Три года назад Брэйди позвонили из фонда Билла и Мелинды Гейтс. На линии был Тревор Мандел, бывший директор фармацевтической компании, сейчас служащий в фонде президентом по всемирному здравоохранению. Фонд хочет искать лекарства для лечения туберкулёза, заболевания, убивающего по два миллиона людей в год, и обгоняющего СПИД по количеству смертей. Когда-то туберкулёз лечили при помощи коктейля из трёх антибиотиков, куда входит рифампицин, или «риф». Его открыли почти 50 лет назад, и со временем бактерии, вызывающие туберкулёз, выработали устойчивость к нему. Заинтригованный подходом Брэйди, похожим на научную фантастику, Мандел спросил его, сможет ли тот получить парочку новых молекул, эффективных против туберкулёза.
Брэйди сконцентрирован на поиске аналогов, небольших подстроек или модификаций химической структуры уже существующих лекарств. При поисках в метагеномных библиотеках, созданных Брэйди из проб почвы, он мог видеть, какими разными путями в природе появлялся риф. Он искал знакомую закономерность: скопления генов, создавших нечто похожее на оригинальную молекулу рифа, только с химической связью немного в другом месте, или в дополнительным атомом.
Найдите эти аналоги, и вы опять сможете перехитрить палочку Коха и эффективно лечить туберкулёз. За шесть месяцев Брэйди убедительно продемонстрировал, что способен найти аналоги рифа, а также варианты таких антибиотиков, как ванкомицин и даптомицин, эффективность которых также постоянно падает из-за появления у бактерий устойчивости к ним. Фонд организовал деловую встречу Брэйди и Билла Гейтса, а затем, в январе, получив $17 млн в инвестициях от фонда Гейтсов и инвестиционного фонда Accelerator из Сиэтла, Брэйди основал свою компанию.
Ясным сентябрьским днём Брэйди приводит меня в офис Lodo на восьмом этаже стеклянной башни Александрийского центра наук о живой природе. Мы проходим мимо небольшой комнаты с холодильником и двумя инкубаторами размером с печь для пиццы, разогревающими колбы с бактериями, и он проводит меня в чистую лабораторию с видом на больницу Бельвью. В Lodo работает десять человек. Одиннадцать, если считать робота. Автоматическая рабочая станция PerkinElmer, достаточно большого размера для того, чтобы в неё мог залезть человек, ускоряет процесс открытия, проводя поиск в метагеномных библиотеках и выуживая клоны, содержащие целевую последовательность будто точной металлической лапой. Объём работ, который раньше занимал у технологов и кандидатов наук от шести месяцев до года, теперь можно выполнить за неделю. И такая скорость уже оправдывает себя. На таблице на стене указано порядка 30 потенциальных антибиотиков, которые компания в данный момент пытается создать и описать — и это результат только одной недели. Недавно Брэйди нашёл антибиотик, вылечивший метициллинрезистентный золотистый стафилококк (MRSA) у мышей.
Брэйди обходит робота, держа руки в карманах. Машина капризничает, манипуляторы стоят неподвижно. Процесс начинается с почвы, присылаемой донорами и добровольцами. Команда Брэйди обрабатывает разбирает почву, сводя её к содержащейся в ней ДНК, и клонирует фрагменты генов организмов, не поддающихся культивированию, внедряя их в бактерии, которые затем хранятся в прямоугольных чашках размером с кирпич — т.н. библиотеках. Сложность состоит в поисках целевых генов, поскольку все генетические фрагменты перемешаны — это похоже на то, как если бы кто-то покидал в коробку тысячи фрагментов головоломки. «И вот у нас есть такая огромная смесь, — говорит Брэйди, — и мы начинаем с 10 млн клонов и делим их на наборы поменьше».
Один грамм почвы может содержать 3000 видов бактерий
Команда по биоинформатике Ludo использует алгоритмы, предсказывающие какие молекулы с какой вероятностью получатся из каких фрагментов лабораторий, поэтому в итоге робот восстанавливает те из них, где находятся скопления генов, необходимые для создания молекул антибиотиков. Уголки рта Брэйди изображают что-то вроде улыбки. «При создании этих вещей есть ещё множество шагов, — говорит он, —, но именно это и является той инновацией, которая тут происходит».
Брэйди иногда описывает свою работу как некие археологические раскопки: он изучает останки микробных цивилизаций, сосредоточенно штудирует инструкцию по использованию их генетического материала, чтобы понять, как воспроизвести определённый аспект их сообщества. «Если вы ищете лекарства, — говорит он, — вам не надо знать о том, что происходит в остальной части общества — как они строили хижины или каноэ — если мы скажем, что антибиотики — это оружие, то нам нужна только информация по оружию, те гены, где закодированы антибиотики, а потом нужно сделать ещё один шаг и построить этот антибиотик».
Для этого команда молекулярных биологов из Lodo манипулирует ДНК и выращивает клоны в подогретых колбах Эрленмейера. Бактерии размножаются в жидком бульоне, цветом, часто напоминающим шоколадный напиток, а запахом — свежую землю, будто только что вырытая яма. В соседней комнате химики извлекают и очищают органические молекулы, разыскивая новые химические структуры, и, возможно, ту самую единственную идеальную молекулу, способную спасти миллионы жизней.
В последнее время исследователи пытались возродить область обнаружения новых антибиотиков несколькими способами. Команда из Северо-восточного университета Бостона разработала особый пластиковый чип, позволяющий им выращивать большое разнообразие бактерий в поле, что привело к открытию теиксобактина на лугу в Мэйне. Практически все соглашаются с тем, что обещаниям метагеномных поисков ещё только предстоит претвориться в жизнь. Как говорит Джилл Бэнфилд, биохимик из Калифорнийского университета в Беркли, пока применение этой технологии «сильно ограничено».
Warp Drive Bio из Кэмбриджа, шт. Массачусетс — одна из немногих компаний, использующих похожие технологии. Брэйди когда-то участвовал в её научном консультационном совете. Грег Вердин, сооснователь компании и химик из Гарварда, уверен, что нацеленная на ДНК «поисковая система геномов» выдаст новые антибиотики. «Если вы принесёте мне цветок в горшке, — говорит он, — я гарантирую, что смогу найти там новые антибиотики». Вердин фокусируется более узко и изучает существующие бактерии, подверженные культивации. Он считает, что клонируя ДНК некультивируемых бактерий, Брэйди вносит в и так сложную задачу «ненужные усложнения».
Несколько биотехнических фирм, первыми пытавшиеся использовать метагеномику для поиска новых лекарств, потерпели фиаско. «Эта большая идея носилась в воздухе, — говорит Джон Кларди, работавший советником у Брэйди, а теперь — в Гарварде. — Но я думаю, что Шон был первым человеком, доведшим идею до практического, пригодного к использованию применения». Кларди говорит, что одной из проблем остаётся систематическое предсказание того, какие гены содержат информацию о молекулах определённого действия. Иначе говоря, никто не знает, где в природе найти инструкцию по обезоруживанию смертельных инфекционных организмов. «Это очень узкое место, — говорит он. — У Шона есть идеи по поводу подходов, но они сильно отличаются от задач, которые он уже решал».
Брэйди садится в кресло в конференц-зале с видом на Ист-Ривер. Он признаёт, что никогда не думал о том, что ему удастся организовать компанию с офисом в элитарном здании на Манхэттене. В Alexandria Center, «большом модном здании», есть пивной бар и ресторан со знаменитым шефом. Брэйди считает, что работает на благо людей, и представляет собой чрезвычайно скромного парня, с несбыточной мечтой по организацию конвейеров, находящих новые лекарства, во всех странах мира. Он думает о том времени, когда устойчивые к антибиотикам штаммы переберутся из больниц в общественный транспорт —, а с туберкулёзом это уже происходит. Lodo была основана с верой в возможность другого будущего, в котором через 10–20 лет пациенты смогут получить новые лекарства, спасающие жизни. Брэйди недавно огласил своё видение на регулярной встрече сотрудников: «Мы находимся здесь ни для чего более, кроме как для спасения жизней людей».
В сентябре Lodo разослала огромное количество электронных писем с текстом «Нам нужна ваша грязь». У Брэйди есть целая комната, заполненная мешками почти всех цветов радуги, полученными в результате призыва — серые, красноватые, тёмно-коричневые. Несколько лет назад он нанял скалолаза специально для добычи почвы. С тех пор сотни добровольцев набрали уже несколько литров земли в зиплок-пакетах. «Мы не намывам золото в ручье у вас во дворе, — говорит Брэйди. — Мы берём лишь немножечко почвы, которая вам всё равно не пригодится». Иначе говоря, ближайшая надежда человечества может оказаться заключённой в щепотке чего-то бесценного, и одновременно настолько же распространённого, как грязь.
