Подводная аптека: какие полезные вещества извлекают ученые из водных глубин
Грязь и губки, вероятно, не входят в список желаний большинства аквалангистов. Но ученый и исследователь профессор Брайан Мерфи из Иллинойского университета в Чикаго обратил внимание на отложения, скрывающиеся на дне озер, и животных, цепляющихся за затонувшие корабли. И не зря. Когда он принес комок грязи из озера Мичиган, он обнаружил, что в нем содержатся бактерии, которые создают две ранее неизвестные молекулы.
Лабораторные тесты показали, что этот класс соединений смертелен для бактерий, вызывающих туберкулез — болезнь, с которой борются существующие лекарства. «Миллионы лет бактерии сражались друг с другом, — сказал Мерфи, — а мы просто используем эту силу».
Во всем мире растет число супербактерий. В последние годы у ряда пациентов были обнаружены штаммы кишечной палочки, устойчивые ко многим антибиотикам, включая препараты, которые врачи используют только в крайнем случае. Это тревожная тенденция, когда бактерии одерживают верх в битве против антибиотиков, которые люди используют для их уничтожения. Из-за чрезмерного использования этих препаратов антибиотики действуют с каждым разом слабее. «Способ борьбы с устойчивостью к лекарствам — найти новое химическое вещество», — пояснил Мерфи. Он один из многих, кто ищет новый препарат под водой.
Медицина из глубины
От ледяных полярных морей до раскаленных гидротермальных источников, от коралловых рифов до внутренних озер — обширные водные пространства, покрывающие большую часть планеты, являются домом для огромного разнообразия жизни. К ним относятся многие животные, у которых развилась сложная химическая защита, а также микробы. Считается, что около 90% видов жизни в океане микроскопичны. Среди этих существ исследователи обнаруживают молекулы, которые могут стать основой для новых лекарств.
Использование природного мира для фармацевтических препаратов не является чем-то новым: при приеме аспирина головная боль успокаивается благодаря веществу, обнаруженному в коре ивы. С ростом устойчивости к лекарствам есть надежда, что у природы в аптечке есть еще много чего в запасе. Необходимо только просеять все эти сильнодействующие химические вещества, чтобы найти те, которые могут бороться с болезнями.
«Не секрет, что при разработке лекарств невероятно высок процент неудач. Очень сложно найти набор молекул, которые способны воздействовать на конкретное заболевание и делать это в невероятно сложной среде человеческого тела», — прокомментировал исследователь.
Мерфи работает над усовершенствованием процесса сбора образцов, поскольку это один из немногих шагов в разработке лекарств, который не претерпел серьезных изменений за последние десятилетия. По словам ученого, поиск молекул в исходных местах — важная часть разработки лекарств. Поэтому он решил использовать совершенно новый ресурс — людей.
Общение с аквалангистами-любителями натолкнуло Мерфи на мысль искать губки на затонувших кораблях. Эти невзрачные животные проводят большую часть своей жизни на одном месте, просеивая воду в поисках пищи и уничтожая полчища бактерий. А бактерии могут составлять до 30–40% биомассы губок.
Пресноводные губки — обычное явление в Великих озерах США, но о них почти ничего не известно. Вместо того, чтобы самому идти собирать губки (это трудоемкое и финансово затратное дело), ученый запустил гражданский научный проект, попросив дайверов собрать для него крошечные образцы. Он разослал наборы для сбора и получил хороший отклик — ему отправили по почте более 40 кусочков губок.
Мерфи надеется опробовать как можно больше мест. В конечном счете, его цель — нанести на карту распространение губок и бактерий по озерам, чтобы будущие усилия могли быть более эффективными и сосредоточились на плодородных участках как в Великих озерах, так и за их пределами.
Список существ, содержащих химические вещества, которые могут победить рак, золотистый стафилококк и многое другое:
• мечехвосты — членистоногие, чья кровь (наполненная клетками-амебоцитами, которые реагируют на крошечные следы бактерий) использовалась в течение последних 50 лет для проверки оборудования и вакцин на предмет загрязнения;
• конусы — моллюски, яд которых содержит конотоксины (уже существует болеутоляющее средство на основе конотоксина, более мощное, чем морфин; также исследуется лечение рака и диабета на основе вещества в яде);
• колючие морские звезды — их тела покрыты слизью, состоящей на 14% из углеводов и на 86 % из белков (вещество исследуется как средство для лечения артрита и астмы);
• фугу — рыбы, содержащие тетродотоксин (вот что делает фугу рискованным ужином), который разрабатывается для лечения боли, возникающей во время химиотерапии;
• желтые микрококки — бактерии, производящие пигмент под названием сарцинаксантин, который может блокировать длинноволновое УФ-излучение (возможно использовать для разработки более эффективных солнцезащитных средств);
• губки (Dendrilla membranosa) — содержат молекулу дарвинолид, которая эффективна против лекарственно-устойчивой супербактерии золотистого стафилококка;
• морские брюхоногие моллюски (Elysia rufescens) — содержат вещество кахалалид F, которое в настоящее время изучается как потенциальное средство для борьбы с опухолями.
Ученые исследуют самые глубокие части океана
Когда биоразведчики впервые обратились за помощью к океанам в 1950-х годах, их первоначальными целями были коралловые рифы. Эти оживленные экосистемы, наполненные разными видами, являются логичным местом для поиска. Они дали много натуральных продуктов, в том числе тех, которые дошли до конца разработки лекарств.
Вначале был химиотерапевтический агент цитарабин, одобренный в США в 1969 году и обнаруженный в губке на рифе Флорида-Кис. Другой противораковый агент под названием трабектедин из карибских асцидий используется в Европе с 2007 года и в США с 2015 года.
Другие исследователи решили найти новые химические вещества, забравшись еще глубже. Международная команда PharmaSea под руководством профессора Марселя Джаспарса занимается поиском антибиотиков в морских глубинах, в том числе на дне желобов — самых глубоких частей океана. Джаспарс описывает их как «обратные острова», вонзающиеся в морское дно, а не направленные вверх. По его словам, в каждой траншеи, возможно, на протяжении миллионов лет была отдельная эволюция.
Джаспарс и его сотрудники отправляют беспилотные зонды на много километров в глубину, чтобы добыть грязь, богатую уникальными бактериями. В последние годы методы поддержания жизни этих экстремальных существ в лаборатории продвинулись вперед, поэтому можно проводить эксперименты. По словам профессора, они провели около 100 тысяч тестов, включая так называемые ESKAPE-патогены. Эта группа из шести бактериальных штаммов проявляет растущую устойчивость ко многим существующим антибиотикам.
Команда PharmaSea стремится сузить круг двух соединений, которые можно производить в больших масштабах, и представить их для доклинических испытаний. На данный момент их наиболее многообещающими открытиями являются соединения, которые могут быть эффективны против заболеваний нервной системы, в частности эпилепсии и болезни Альцгеймера.
Кто в выигрыше?
Но кому принадлежат эти открытия из водных глубин? Слово «биоразведка» обычно имеет негативный оттенок. Это напоминает о том, что коренные жители раздают свои знания о традиционной медицине и получают небольшую компенсацию.
К счастью, в последние годы все изменилось, теперь протоколы для обмена преимуществами стали обычным явлением. Прежде чем собирать что-либо, исследователи заключают письменные соглашения со страной. В 2010 году вступил в силу международный Нагойский протокол, согласно которому такие соглашения стали юридически обязательным требованием.
Открытое море начинается в 370 километрах от берега и технически никому не принадлежит, что затрудняет контроль над ним. В настоящее время Конвенция ООН по морскому праву охватывает определенные виды деятельности, включая глубоководную добычу полезных ископаемых и прокладку кабелей, но ничего не говорит о биоразнообразии. В 2020 году начались официальные обсуждения поправки, включающей биоразведку. Встречаются различные точки зрения. Некоторые страны считают, что это должно быть общим наследием человечества — одной стране или компании нельзя позволять извлекать исключительно выгоду.
С другой стороны, существует концепция «Свободы открытого моря», поддерживаемая США и Норвегией, которая дает любой стране вести биоразведку в открытом море, точно так же, как любой может там ловить рыбу. Другие, включая ЕС, стремятся найти еще какое-то решение. Вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем биоразведка в открытом море станет регулируемой.
Следующие шаги
В лаборатории молекулы Мерфи, помогающие бороться с туберкулезом, проходят следующий этап испытаний, чтобы выяснить, могут ли они привести к созданию новых лекарств. Даже если они ничего не дадут, ученый уверен, что они все равно будут полезны. «Они показали очень избирательную антибактериальную активность в отношении туберкулеза», — пояснил он. Другие бактерии остались нетронутыми. Объяснение того, как именно эти молекулы избирательно убивают бактерию туберкулеза, могло бы раскрыть важную информацию о самой болезни и, возможно, указать путь к эффективным препаратам.
Но биоразведчикам придется поторопиться. В последние годы страдающий Большой Барьерный риф попадает в заголовки новостей во всем мире, а деятельность человека продолжает угрожать здоровью и биоразнообразию океанов, рек и озер планеты. Остается надеяться, что исследователи смогут найти лекарства, в которых нуждается человечество, прежде чем воды Земли станут безвозвратно больными.
По материалам статьи «Underwater pharmacy: Meet the scientists raiding the ocean's medicine cabinet» Science Focus