В современной науке ключевые результаты часто достигаются на стыке различных дисциплин за счет объединения знаний и открытий из смежных областей. Именно этот междисциплинарный подход положен в основу нового научного хаба, созданного на базе Университета Грузии (UG), который объединяет три стратегических направления: молекулярную медицину, концепцию «Единое здоровье» (One Health) и синтетическую биологию. Главная цель инициативы — интеграция научного потенциала Грузии в международное исследовательское пространство.
Центральным звеном этой концепции является Институт единого здоровья, основанный в 2024 году. Его работа базируется на современном понимании того, что здоровье человека, животных, растений и окружающей среды неразрывно взаимосвязаны. О целях института, его значимости и международных успехах грузинской исследовательской группы рассказывает директор Института единого здоровья, доктор биологических наук Мамука Котетишвили.
Господин Мамука, по каким направлениям работает Институт единого здоровья, какие проекты реализуются и как бы вы оценили первые два года деятельности института?
За эти два года мы провели серию глубоких исследований по нескольким ключевым направлениям. В их числе — молекулярно-генетические механизмы антимикробной резистентности (АМР), особенности эволюционной дивергенции и динамики генов устойчивости, эволюция патогенов человека и животных, а также структурный геномный анализ бактериофагов.
Могу с уверенностью сказать, что эта работа оказалась исключительно результативной. Результаты наших исследований опубликованы в авторитетных высокорейтинговых международных изданиях, таких как Frontiers in Microbiology, журналах издательства Springer Nature — BMC Microbiology и Scientific Reports, а также в журнале Virus Evolution издательства Oxford Academic. Каждое из этих изданий входит в категорию Q1, то есть входит в топ-25% ведущих научных журналов мира. На сегодняшний день в этих журналах нами опубликовано уже восемь научных статей, что является весьма значимым достижением, особенно в масштабах академического сектора Грузии.
Расскажите подробнее о содержании исследований. Каковы основные выводы по антимикробной резистентности, представленные мировому научному сообществу на страницах этих журналов?
Одной из наших ключевых задач было изучение микробных сетей — как патогенов человека и животных, так и непатогенных микроорганизмов, которые сами по себе не вызывают заболеваний, но могут служить резервуарами и векторами распространения генов резистентности. Мы стремились картировать эти сети трансмиссии и определить конкретные маршруты распространения детерминант устойчивости.
Основной фокус исследовательской работы был сосредоточен на генах, индуцирующих устойчивость к тетрациклинам и макролидам. Нам удалось выявить примечательную закономерность: полученные данные позволяют предположить, что часть этих генов эволюционирует путем оптимизации использования кодонов (codon usage optimization). Адаптируясь к молекулярно-генетическому аппарату бактерии-хозяина, они способны повышать уровень своей экспрессии, что, в свою очередь, может приводить к усилению устойчивости бактерий к соответствующим антибиотикам.
Антибиотикорезистентность признана одной из наиболее острых глобальных угроз. По прогнозам ВОЗ, к 2040 году эта проблема может унести дополнительно 30 миллионов человеческих жизней. Какие биологические и экологические факторы способствуют росту резистентности и каково практическое значение ваших исследований в сфере превенции?
Суть проблемы раскрывается именно на уровне молекулярно-генетических механизмов. В биологии действует закономерность: под давлением антимикробного отбора патоген в целях выживания приобретает ген резистентности или претерпевает соответствующую мутацию. Однако при выходе из селективной антимикробной среды бактерия нередко элиминирует этот приобретенный фактор. Причина кроется в том, что, как бы парадоксально это ни звучало, детерминанты устойчивости, помогая бактериям выжить при действии антибиотика, зачастую снижают их репродуктивную приспособленность (fitness cost) и другие жизненно важные функции.
Однако наши исследования показывают наличие генов резистентности, которые циркулируют между бактериями не только на межвидовом, но и на межродовом уровне. Эти гены не просто защищают патогены от воздействия препаратов, но и, по нашему предположению, способствуют их общей экологической адаптации — повышая выживаемость и приспособленность во внешней среде. Вследствие этого механизма бактерии уже не избавляются от данных генов, а устойчиво закрепляют их, становясь существенно более жизнеспособными и опасными для здоровья человека и животных.
Что касается практического применения, мы детально охарактеризовали межвидовые и межродовые микробные сети, несущие эти гены, и выявили как доноров, так и реципиентов ключевых генов резистентности в их глобальных природных популяциях. В частности, были идентифицированы так называемые «безобидные» бактерии (например, отдельные непатогенные представители кишечной микробиоты), выступающие активными донорами этих генетических элементов. Результаты нашего in silico моделирования, прогнозирующего траектории трансмиссии, свидетельствуют: попадая в микробиом кишечника человека, патогенные штаммы способны приобретать устойчивость путем захвата генов резистентности от этих сапрофитных бактерий-доноров. Точные данные о структуре этих сетей и резервуарах трансмиссии критически важны для общественного здравоохранения, поскольку позволяют прогнозировать биологические риски и выстраивать адресные превентивные меры.
Помимо резистентности, значительный блок ваших работ посвящен геномике бактериофагов. Какие различия были выявлены между жизненными формами фагов?
В зависимости от особенностей жизненного цикла бактериофаги подразделяются на две основные группы: вирулентные (литические) и умеренные. Вирулентные фаги находят широкое практическое применение в фармацевтике, ветеринарии, биоконтроле и пищевой безопасности. Применение же умеренных фагов на практике строго ограничивают, поскольку они способны выступать природными переносчиками генов вирулентности, патогенности и антимикробной резистентности.
Нашей целью было выявление различий между этими двумя группами на геномном уровне, особенно в контексте молекулярно-генетических механизмов трансляционной адаптации. Компьютерный in silico анализ фаговых геномов продемонстрировал интересную картину: в большинстве случаев состав кодонов в генах вирулентных фагов более тонко оптимизирован под аппарат трансляции бактерии-хозяина, что обеспечивает более эффективную репликацию. Наряду с другими молекулярными механизмами, это дает фундаментальное биологическое объяснение различиям в эффективности и характере взаимодействия этих групп фагов с клеткой-хозяином.
Одной из главных идей создания научного хаба и института, вдохновителем которой был покойный господин Цотне Джавахишвили, являлась интеграция молодых грузинских ученых в мировое академическое сообщество. Какова роль молодежи в ваших проектах?
Наш институт в основном состоит именно из молодых исследователей — докторантов, магистрантов и студентов бакалавриата. У нас выстроена четкая практика: независимо от текущей академической ступени за каждым молодым специалистом закреплен собственный исследовательский проект. Я сам, доктор биологических наук Тинатин (Тико) Элбакидзе, возглавляющая Лабораторию генетики и экологии микроорганизмов, и руководитель Лаборатории функциональной геномики и протеомики in silico, магистр общественного здравоохранения Саба Кобахидзе, работаем плечом к плечу с молодежью, обеспечивая научное руководство. Однако основную часть исследовательской работы они блестяще выполняют самостоятельно.
В эти исследования активно вовлечены молодые ученые: Меги Церетели, Лилия Джимшеришвили, Давит Джанелидзе, Ана Гамкрелидзе и Теона Хеладзе. Их вклад был настолько весомым, что я счел абсолютно справедливым указать их первыми авторами в опубликованных статьях. Этот статус дал мощный импульс их карьере: за последние два-три года четверо представителей нашей команды выиграли международные конкурсы и поступили на магистерские и докторские программы в ведущие зарубежные вузы, включая Боннский университет. Также хочу отметить успех исследовательницы Института синтетической биологии имени Цотне Джавахишвили при UG Гванцы Брагвадзе, получившей приглашение из известного лондонского университета. С одной стороны, это признание высокого уровня подготовки, с другой — мы стремимся сохранять сильное исследовательское ядро на месте, рассчитывая, что после получения международного опыта молодые ученые вернутся для продолжения работы на родине.
Что касается господина Цотне Джавахишвили, которого, к великому сожалению, уже нет в живых — его идея продолжает жить и приносить реальные плоды. Еще при его жизни мы поддерживали тесный контакт и совместно спланировали исследование по антимикробной резистентности. В этом проекте участвовала его молодая сотрудница Нино Кучулория. Работа завершилась успешно, а результаты были опубликованы в одном из авторитетных западных журналов.
Над чем институт работает в настоящее время и каких публикаций ожидать в ближайшей перспективе?
Сейчас у нас в разработке несколько перспективных научных тем:
Первое направление касается генетических локусов, кодирующих прион-подобные белки в популяциях бактерий. Речь идет не о классических прионах, вызывающих нейродегенеративные патологии у человека: бактериальные прион-подобные структуры участвуют в экологической адаптации микроорганизмов к стрессовым факторам среды. Мы изучаем, могут ли эти локусы у кишечных бактерий играть роль в индукции или провокации тяжелых воспалительных процессов в кишечнике человека.
Второй масштабный проект посвящен возбудителю бруцеллеза (Brucella abortus) и реализуется совместно с коллегами из Чунцинского медицинского университета (КНР). Мы изучили геномы грузинских и китайских изолятов этого патогена, описали молекулярно-генетические механизмы их эволюционной дивергенции, степень филогенетического родства и расчетные временные рамки их дивергенции на эволюционной шкале. Параллельно мы применяем методы компьютерного биоинформатического анализа (in silico) для изучения вопроса, который ранее не исследовался: механизмов трансляционной адаптации генов транспозаз — важнейших мобильных генетических элементов. В природных популяциях транспозоны активно участвуют в формировании вирулентности, патогенности, лекарственной устойчивости и экологической приспособленности бактерий. Мы анализируем профили использования кодонов ключевыми транспозонами, что позволяет выявить векторы трансляционной адаптации. Результаты помогут точнее прогнозировать траектории эволюции патогена, что критично для глобального эпидемиологического контроля.
Кроме того, мы продолжаем исследования эволюции геномов умеренных и литических фагов. Одновременно завершается оснащение нашей «мокрой» лаборатории (Wet Lab), где запланированы метагеномные исследования бактериальных сообществ рекреационных водоемов, рек и озер Грузии для оценки их роли как природных резервуаров устойчивости к антибиотикам.
Каковы долгосрочные стратегические планы института и масштабы международного партнерства?
В стратегической перспективе мы намерены активно развивать направления микробной филогенетики и геномного надзора (Genomic Surveillance). В Грузии популяционно-генетическая структура возбудителей пищевых токсикоинфекций, а также зоонозных и антропонозных бактериальных и вирусных патогенов изучена фрагментарно. Без фундаментальных геномных данных невозможно выстроить современную систему инфекционного контроля и эпидемиологического мониторинга.
Что касается международного сотрудничества, наш научный опыт востребован зарубежными партнерами. Помимо стратегического партнерства с Чунцинским медицинским университетом — где мы выступали с докладами, а доктор Тинатин Элбакидзе прочла курс по биоинформатике для студентов — в этом году стажировку по биоинформатике на нашей базе прошел ассоциированный профессор из Турции, с которым мы сейчас ведем совместное in silico исследование. Буквально на днях поступило предложение от Казахского агротехнического исследовательского университета: зарубежные коллеги обратились с просьбой выступить в качестве международных научных соруководителей докторских диссертаций, посвященных циркуляции патогенов и антибиотикорезистентности.
Кроме того, Институт единого здоровья входит в состав Европейской ассоциации «Единое здоровье» (European One Health Association), объединяющей профильные государственные институты и ведущие университеты Европы. При поддержке ассоциации 5–6 ноября мы организуем в Университете Грузии международную конференцию и воркшоп, в которых наряду с грузинскими специалистами примут участие ведущие ученые из Европы и Соединенных Штатов Америки.
