Открытие Александром Флемингом в 1928 году плесени с антибактериальными свойствами было лишь первым событием на пути к созданию пенициллина как лекарства.
В пыльном углу больницы Св. Марии в Лондоне спрятан крошечный однокомнатный музей, посвященный одному из важнейших открытий в истории медицины: плесени, изменившей мир. Кураторы воссоздали лабораторию Александра Флеминга, какой она была в день его открытия, от сигарет, которые он беспрестанно курил во время работы в лаборатории, до копии знаменитой чашки Петри с Penicillium.
В то время как образцы исходного изолята, известного как Penicillium rubens IMI 15378, криоконсервированы в коллекциях по всему миру, этот штамм, как ни странно, отсутствует в современном коммерческом производстве пенициллина. Изолят, используемый в массовом производстве сегодня, вообще не возник в лаборатории Флеминга; вместо этого многомиллиардная индустрия использует микроб, полученный из заплесневелой дыни, найденной на фруктовом рынке в Пеории, штат Иллинойс, в начале 1940-х годов.
Хотя удачное открытие Флеминга широко известно, следующие менее известные события столь же необычны: биограф Гвин Макфарлейн описал этот процесс как «серию случайных событий, почти невероятно невероятных». Эти научные достижения оказали немедленное воздействие, предотвратив смерть от инфекции для бесчисленного количества солдат к концу Второй мировой войны, но также имели долгосрочные последствия, отголоски которых ощущаются и сегодня.
«Пенициллин, я бы сказал, является самым важным лекарством, которое когда-либо было представлено», — сказал Роберт Гейнс, врач-инфекционист и историк медицины в Университете Эмори. «Он полностью изменил то, как мы думаем об открытии лекарств. Он преобразил фармацевтическую промышленность во многих отношениях и полностью изменил мышление о лечении инфекционных заболеваний».
Хотя открытие Флемингом необычных свойств Penicillium сегодня известно, его публикация 1929 года оказала сравнительно небольшое влияние в то время. Действительно, сказал Гейнс, когда Флеминг представил свое исследование Медицинскому исследовательскому клубу в Лондоне, не было задано ни одного вопроса.
Александр Флеминг впервые наблюдал антибактериальное действие плесени Penicillium в 1928 году, однако первые попытки лечения людей пенициллином были предприняты лишь спустя десятилетие.
Флеминг наблюдал и тщательно отмечал воздействие плесени на бактерии, но он — вместе со своим все более разочарованным помощником — не смог выделить само антибактериальное вещество. Флеминг заручился помощью Гарольда Райстрика, биохимика из Лондонской школы тропической медицины и гигиены. Однако команда Райстрика также отказалась от проекта через несколько лет, в основном из-за «совета друзей-медиков о том, что пенициллин никогда не сможет быть практически использован в клинической медицине из-за своей нестабильности».
Работа Флеминга могла бы оказаться на свалке истории, если бы Эрнст Чейн, тогда биохимик Оксфордского университета, не нашел статью 1929 года почти десятилетие спустя. Чейн и оксфордский патолог Говард Флори были немедленно заинтригованы плесенью Флеминга, убивающей бактерии, и после этого их исследования быстро продвигались. К 1940 году исследовательская группа Оксфорда, в которую также входил биохимик Норман Хитли, определила, как выращивать плесень и очищать пенициллин, и показала, что он может спасти мышей от трех различных типов смертельных бактерий.
Испытания на людях начались почти сразу. 12 февраля 1941 года исследователи ввели первую дозу пенициллина мужчине с опасной для жизни инфекцией Staphylococcus aureus. Всего через 24 часа его состояние резко улучшилось, но к 17 февраля запас пенициллина закончился. Инфекция вернулась, и в течение месяца пациент умер.
Исследователи знали, что открытие и выделение этого почти чудесного вещества были бы бессмысленны, если бы они не смогли выяснить, как масштабировать его производство. Но поскольку Вторая мировая война затянулась, а немецкие бомбы опустошили многие крупные города, у Британии не было ресурсов, чтобы вложить их в это масштабное начинание.
И поэтому, сказал Гейнс, «Флори был вынужден обратиться за помощью к Соединенным Штатам».
Весной 1941 года Флори встретился с Уорреном Уивером, директором Отдела естественных наук Фонда Рокфеллера, во время визита Уивера в Лондон. Флори объяснил свою неспособность производить достаточное количество пенициллина в охваченной войной Британии. Уивер решил, что Фонд профинансирует поездку Флори и Хитли в США, где они смогут обратиться за помощью к государственным научно-исследовательским институтам и фармацевтическим компаниям, чтобы превратить свои мечты о массовом производстве пенициллина в реальность. Хотя США еще официально не вступили во Вторую мировую войну, правительство уже некоторое время оказывало помощь союзным державам, поэтому Флори сделал ставку на то, что американские ученые захотят присоединиться к делу.
Итак, в июне того же года Флори и Хитли отправились в США, привезя с собой драгоценные культуры Penicillium. Их первый визит был в Йельский университет, где Джон Фултон, старый друг Флори, работал профессором. Благодаря научным связям Фултона — и впоследствии через цепочку других исследователей и правительственных чиновников — Флори и Хитли добрались до Вашингтона, округ Колумбия, а затем до Северной региональной исследовательской лаборатории (NRRL) в Пеории, штат Иллинойс.
Роберт Когхилл, глава отдела ферментации NRRL, позже заметил: «Пенициллин часто называют чудодейственным лекарством, но одно из наименее понятых чудес, связанных с ним, заключается в том, что Флори и Хитли были направлены в нашу лабораторию в Пеории».
Их пребывание в Пеории было коротким, но плодотворным: дуэт поделился штаммом плесени Флеминга и всем, что они знали о его культивировании. После того, как пара исследователей из Оксфорда вернулась домой в начале 1942 года, ученые NRRL упорно работали над улучшением выхода препарата. Несколько важных разработок произошли в Пеории, которые позволили пенициллину перейти от вещества чрезвычайной редкости — настолько редкого, что ранние испытания на людях включали сбор и повторное использование пенициллина, выделяемого с мочой пациентов, — к клинически полезному продукту мирового значения.
Имея многолетний опыт в области ферментации, группа NRRL разработала несколько методов для ускорения роста интересующих ее микроорганизмов, которые они применили к штаммам Penicillium.
Во-первых, они использовали разные ингредиенты в своих питательных средах, разработанных микологом NRRL Эндрю Мойером. Важным ингредиентом, сказал Гейнс, был «побочный продукт производства кукурузного крахмала, который назывался кукурузным экстрактом. Это был отход. В центре Среднего Запада с ним было туго. И оказалось, что — опять же, вот в чем случайность — он был намного лучше для выращивания Penicillium, чем все, что использовал Хитли. Это был еще один пример просто невероятной удачи».
Исследователи того времени чувствовали то же самое.
«[NRRL] была, я уверен, единственной лабораторией в стране, где была бы открыта среда на основе кукурузного экстракта», — утверждал Когхилл. «Открытие ее ключевого места в среде пенициллина было предопределено и неизбежно, как только эта проблема была поручена нашему отделу ферментации».
Исследователи NRRL также увеличили урожайность, используя процесс глубинной ферментации , в котором микробы выращивались в сосудах, подвергавшихся постоянному перемешиванию для их аэрации, вместо поверхностной ферментации, в которой микробы выращивались в больших плоских чашках.
Их полоса удачи продолжилась. Когхилл вместе с Кеннетом Рэпером и Дороти Александер, его коллегами из Отдела ферментации NRRL, протестировали сотни штаммов Penicillium, чтобы определить, имели ли какие-либо из них более высокий выход пенициллина, чем штамм Флеминга. Они собрали огромное количество разнообразных образцов, собирая микробов с заплесневелого хлеба, сыров, фруктов и овощей, а также заручившись помощью Армейского транспортного корпуса для получения образцов почвы из стран по всему миру, включая Англию, Бразилию, Австралию и Индию. Им не нужно было искать так далеко, поскольку, как заметил Когхилл, «пародия этой всемирной охоты заключалась в том, что лучший производитель из всех был выращен из заплесневелой дыни, купленной на фруктовом рынке в Пеории».
Существуют некоторые разногласия относительно того, кто именно нашел «штамм дыни» или Penicillium rubens NRRL 1951, который теперь является государственным микробом Иллинойса . В течение десятилетий после открытия местные газеты сообщали, что дыня была найдена техником NRRL Мэри Хант, прозванной «Заплесневелой Мэри», и действительно, Хант указана в благодарностях в статье 1944 года об идентификации микроба. Когхилл, Рэпер и Александр написали, что «Мы также обязаны мисс Мэри К. Хант за сбор образцов заплесневелых материалов и за помощь в выделении и предварительном тестировании многих штаммов». Однако 10 лет спустя Рэпер сказала репортеру, что дыню просто подбросила местная домохозяйка.
Независимо от того, кто изначально его нашел, сорт дыни канталупы приобрел большое значение как «родитель», от которого произошли современные выведены коммерческие штаммы. Значение этих разработок в ускорении массового производства пенициллина невозможно переоценить:
«В начале 1942 года у них не было [пенициллина], а к концу 42-го его было достаточно для первого клинического испытания», — сказал Гейнс. «А к концу 43-го у них было достаточно пенициллина, чтобы лечить все вооруженные силы союзников… это действительно было замечательное преобразование».
Однако работа исследователей NRRL осталась практически незамеченной на мировой арене; с другой стороны, Флеминг, Чейн и Флори были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1945 году.
Последующие несколько десятилетий стали известны как Золотой век открытия антибиотиков. Работа Сельмана Ваксмана по микробиологии почвы в Ратгерском университете привела к выделению стрептомицина, первого антибиотика, который был эффективен против Mycobacterium tuberculosis, в 1943 году. Девять лет спустя это открытие принесло ему Нобелевскую премию. В период с 1940 по 1970 год исследователи открыли более 20 новых классов антибиотиков, большинство из которых были получены из бактерий и грибов.
Но темпы открытий вскоре резко замедлились. Несмотря на значительные технологические достижения, в текущем столетии было введено относительно немного новых антибиотиков или противогрибковых препаратов. И хотя эти препараты в основном остались прежними, патогенные микробы — и планета — претерпевают быстрые и глубокие изменения.
Темпы микробной эволюции не должны вызывать удивления: в той же самой статье 1941 года, в которой исследователи из Оксфорда опубликовали чудесные выздоровления пациентов, лечившихся пенициллином, они экспериментально продемонстрировали тревожно быстрое развитие устойчивости к антибиотикам. Они культивировали бактерии в постепенно увеличивающихся концентрациях пенициллина и всего за несколько месяцев отметили, что «микроб был способен размножаться в концентрации пенициллина в тысячу раз большей, чем та, которая подавляла родительский штамм в параллельном тесте».
Сегодня бактерии, устойчивые к антибиотикам, убивают более миллиона человек каждый год; исследователи подсчитали, что к 2050 году ежегодное число смертей почти удвоится.
Оригинал статьи можно прочитать здесь.
Больше информации о самых интересных научных открытиях и удивительных исторических фактах читайте на нашем сайте «Совятня».
Интересные новости, советы по здоровью, ответы на популярные вопросы и цитаты великих ученых ищите в Telegram.
Фото: Frepik
