Орнитогенные экосистемы высокоширотной Арктики в качестве источников вирулентных бактериофагов

Актуальность. Изучение разнообразия бактериофагов в дикой природе, включая территории, незатронутые человеческой деятельностью, представляет существенный интерес с точки зрения определения стратегий поиска компонентов бактериофаговых препаратов для борьбы с актуальными инфекциями, обусловленными бактериями с множественной лекарственной устойчивостью.

Цель исследования. Описать структуру и особенности виромов, ассоциированных с колониями морских птиц на островах Баренцева моря, в качестве потенциального источника вирулентных бактериофагов для фаготерапии инфекционных заболеваний человека и животных.

Материал и методы. В ходе исследования проведён метагеномный анализ образцов почв, сформировавшихся в колониях птиц на острове Северный архипелага Новая Земля и острове Западный Нортбрук архипелага Земля Франца-Иосифа, а также эксперименты по выделению бактериофагов Escherichia coli из этих образцов. Метагеномное секвенирование проводилось на секвенаторе DNBSEQ-G400 с длиной парноконцевых прочтений 150 п. н. Биоинформационный анализ включал в себя сборку сырых ридов в контиги с использованием MEGAHIT v.1.2.9 и их классификацию при помощи Kraken2 с использованием Refseq базы данных вирусных последовательностей. Выделение бактериофагов проводилось с использованием метода накопления на культурах Escherichia coli flora2c и OO17. Геномы двух выделенных бактериофагов были секвенированы и проведён филогенетический анализ их последовательностей с использованием программы parsnp.

Результаты. В структуре метавиромов доминируют последовательности хвостатых фагов класса Caudoviricetes, составляя до 78,45% от общего числа последовательностей, классифицированных в качестве вирусных. Анализ метавиромных данных продемонстрировал значительное разнообразие бактериофагов класса Caudoviricetes, включая семейства Straboviridae и Shitoviridae, рода Baikalvirus, Phitrevirus, представители которых могут быть использованы для фаговой терапии. Из образцов орнитогенных почв выделены два вирулентных бактериофага Escherichia coli. По результатам филогеномного анализа один из них представляет известный вид рода Justusliebigvirus, а второй может быть классифицирован как новый вид рода Kagunavirus.

Заключение. Результаты настоящего исследования свидетельствуют о значительном биологическом разнообразии вирулентных бактериофагов в составе микробиомов, связанных с колониями морских арктических птиц, и подтверждают перспективность поиска новых бактериофагов, применимых для фаготерапии, в орнитогенных субстратах побережий арктических островов.

1. Leitner L, Sybesma W, Chanishvili N, Goderdzishvili M, Chkhotua A, Ujmajuridze A, Schneider MP, Sartori A, Mehnert U, Bachmann LM, Kessler TM. Bacteriophages for treating urinary tract infections in patients undergoing transurethral resection of the prostate: a randomized, placebocontrolled, double-blind clinical trial. BMC Urol. 2017 Sep 26; 17 (1): 90. doi: 10.1186/s12894-017-0283-6.

2. Jault P, Leclerc T, Jennes S, Pirnay JP, Que YA, Resch G, Rousseau AF, Ravat F, Carsin H, Le Floch R, Schaal JV, Soler C, Fevre C, Arnaud I, Bretaudeau L, Gabard J. Efficacy and tolerability of a cocktail of bacteriophages to treat burn wounds infected by Pseudomonas aeruginosa (PhagoBurn): a randomised, controlled, double-blind phase 1/2 trial. Lancet Infect Dis. 2019 Jan;19 (1): 35–45. doi: 10.1016/S1473-3099(18)30482-1.

3. Асланов Б.И., Гончаров А.Е., Конев С.Д., Мохов А.С., Азаров Д.В., Лебедева Е.А., Кулешова А.В., Колоджиева В.В., Колосовская Е.Н., Нифонтова А.М., Лиознов Д.А. Чувствительность штаммов Klebsiella pneumoniae, выделенных от больных COVID-19, к коммерчески доступным препаратам бактериофагов. Антибиотики и химиотер. 2024; 69 (11–12): 59–66. doi: https://doi.org/ 10.37489/0235-2990-2024-69-11-12-59-66.

4. Козлова А. И., Тапальский Д. В. Чувствительность к антибиотикам и бактериофагам клинических изолятов Klebsiella pneumoniae с классическим и гипермукоидным фенотипами. Военная медицина. 2019; 1 (50): 44–48.

5. Wang J, Xiao J, Zhu Z, Wang S, Zhang L, Fan Z, Deng Y, Hu Z, Peng F, Shen S, Deng F. Diverse viromes in polar regions: a retrospective study of metagenomic data from Antarctic animal feces and Arctic frozen soil in 2012-2014. Virol Sin. 2022 Dec; 37 (6): 883–893. doi: 10.1016/j.virs.2022. 08.006.

6. Rastrojo A, Alcamí A. Viruses in polar lake and soil ecosystems. Adv Virus Res. 2018; 101: 39–54. doi: 10.1016/bs.aivir.2018.02.002.

7. Zhong ZP, Tian F, Roux S, Gazitúa MC, Solonenko NE, Li YF, Davis ME, Van Etten JL, Mosley-Thompson E, Rich VI, Sullivan MB, Thompson LG. Glacier ice archives nearly 15,000-year-old microbes and phages. Microbiome. 2021 Jul 20; 9 (1): 160. doi: 10.1186/s40168-021-01106-w.

8. van Dijk JGB, Iverson SA, Gilchrist HG, Harms NJ, Hennin HL, Love OP, Buttler EI, Lesceu S, Foster JT, Forbes MR, Soos C. Herd immunity drives the epidemic fadeout of avian cholera in Arctic-nesting seabirds. Sci Rep. 2021 Jan 13; 11 (1): 1046. doi: 10.1038/s41598-020-79888-6.

9. Derko A, Dubovitskiy N, Prokudin A, Mine J, Tsunekuni R, Uchida Y, Saito T, Kasianov N, Loginova A, Sobolev I, Kumar S, Shestopalov A, Sharshov K. Detection of a novel gull-like clade of newcastle disease virus and H3N8 avian influenza virus in the Arctic Region of Russia (Taimyr Peninsula). Viruses. 2025 Jul 7; 17 (7): 955. doi: 10.3390/v17070955.

10. Li D, Luo R, Liu CM, Leung CM, Ting HF, Sadakane K, Yamashita H., Lam TW. MEGAHIT v1.0: a fast and scalable metagenome assembler driven by advanced methodologies and community practices. Methods. 2016 Jun 1; 102: 3–11. doi: 10.1016/j.ymeth.2016.02.020.

11. Wood DE, Lu J, Langmead B. Improved metagenomic analysis with Kraken 2. Genome Biol. 2019; 20 (1): 257. doi: 10.1186/s13059-019-1891-0.

12. Treangen TJ, Ondov BD, Koren S, Phillippy AM. The Harvest suite for rapid core-genome alignment and visualization of thousands of intraspecific microbial genomes. Genome Biol. 2014; 15 (11): 254. doi: 10.1186/s13059014-0524-x.

13. Gorshkova A, Belykh O, Tikhonova I, Xi L, Siniagina M, Drucker V, Potapov S. Genomic characterization of the novel bacteriophage PfAn1 from Lake Baikal, infecting Pseudomonas fluorescens. Arch Virol. 2025 May 16;170 (6): 127. doi: 10.1007/s00705-025-06315-4.

14. Корниенко М.А., Купцов Н.С., Данилов Д.И., Городничев Р.Б., Малахова М.В., Беспятых Д.А., Веселовский В.А., Шитиков Е.А., Ильина Е.Н. Выделение и характеристика бактериофагов Pseudomonas aeruginosa — потенциальных агентов для фаговой терапии. Медицина экстремальных ситуаций. 2021; 23 (3): 16–23. doi: https://doi.org/10.47183/mes.2021.027.

15. O'Connell LM, Buttimer C, Bottacini F, Coffey A, O'Mahony JM. Identification of novel genera and subcluster classifications for mycobacteriophages. Microbiome Res Rep. 2023 Jun 15; 2 (3): 21. doi: 10.20517/mrr.2023.17.

16. Wang L, Yao H, Morgan DC, Lau KS, Leung SY, Ho JWK, Leung WK. Altered human gut virome in patients undergoing antibiotics therapy for Helicobacter pylori. Nat Commun. 2023 Apr 17; 14 (1): 2196. doi: 10.1038/s41467023-37975-y.

17. Bartlau N, Wichels A, Krohne G, Adriaenssens EM, Heins A, Fuchs BM, Amann R, Moraru C. Highly diverse flavobacterial phages isolated from North Sea spring blooms. ISME J. 2022 Feb; 16 (2): 555–568. doi: 10.1038/s41396-021-01097-4.

18. Attai H, Boon M, Phillips K, Noben JP, Lavigne R, Brown PJB. Larger than life: isolation and genomic characterization of a jumbo phage that infects the bacterial plant pathogen, Agrobacterium tumefaciens. Front Microbiol. 2018 Aug 14; 9: 1861. doi: 10.3389/fmicb.2018.01861.

19. Kozlova AP, Muntyan VS, Vladimirova ME, Saksaganskaia AS, Kabilov MR, Gorbunova MK, Gorshkov AN, Grudinin MP, Simarov BV, Roumiantseva ML. Soil giant phage: genome and biological characteristics of Sinorhizobium jumbo phage. Int J Mol Sci. 2024 Jul 5; 25 (13): 7388. doi: 10.3390/ijms25137388.

20. Liu H, Gu W, Lu Y, Ding L, Guo Y, Zou G, Wu W, Zheng D, Liu C, Wang C, Cao Y, Li J. Exploration of phage-agrochemical interaction based on a novel potent phage LPRS20-Targeting Ralstonia solanacearum. J Agric Food Chem. 2024 Dec 18; 72 (50): 28005–28018. doi: 10.1021/acs.jafc.4c03799.

21. Na JB, Lee S, Park EJ, Lim S, Lee K, Kim YB, Cha TS, Park SY, Kim JH. Characterization of five lytic bacteriophages as new members of the genus Mosigvirus, infecting multidrug-resistant shiga toxin-producing Escherichia coli and their antibiofilm activity. Viruses. 2025 Nov 13;17 (11): 1501. doi: 10.3390/v17111501.

22. Alempic JM, Lartigue A, Goncharov AE, Grosse G, Strauss J, Tikhonov AN, Fedorov AN, Poirot O, Legendre M, Santini S, Abergel C, Claverie JM. An update on eukaryotic viruses revived from ancient permafrost. Viruses. 2023 Feb 18; 15 (2): 564. doi: 10.3390/v15020564.

23. Sakhaee F, Mosayebi Amroabadi J, Razi S, Vaziri F, Abdolrahimi F, Moghaddam S, Rahimi Jamnani F, Siadat SD, Fateh A. Detection of Mimivirus from respiratory samples in tuberculosis-suspected patients. Sci Rep. 2022 May 23; 12 (1): 8676. doi: 10.1038/s41598-022-12757-6.

24. Асланов Б.И., Азаров Д.В., Макарова М.А., Марышева Е.Г., Краева Л.А., Мохов А.С., Лебедева Е.А., Гончаров Н.Е., Лебедева Н.В., Стариков Д.А., Колоджиева В.В., Полев Д.Е., Гончаров А.Е. Патогенный потенциал орнитогенных штаммов Escherichia coli, выявленных в полярных регионах Земли. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2024; 101 (6): 758–768. doi: https://doi.org/10.36233/0372-9311-607.

25. Ewers C, Li G, Wilking H, Kiessling S, Alt K, Antáo E-M, et al. Avian pathogenic, uropathogenic, and newborn meningitis-causing Escherichia coli: how closely related are they? Int J Med Microbiol. 2007; 297 (3): 163– 76. doi: 10.1016/j.ijmm.2007.01.003

26. Markusková B, Elnwrani S, Andrezál M, Sedláčková T, Szemes T, Slobodníková L, Kajsik M, Drahovská H. Characterization of bacteriophages infecting multidrug-resistant uropathogenic Escherichia coli strains. Arch Virol. 2024 Jun 8; 169 (7): 142. doi: 10.1007/s00705-024-06063-x.

27. Rodea GE, González-Villalobos E, Medina-Contreras O, Castelán-Sánchez HG, Aguilar-Rodea P, Velázquez-Guadarrama N, Hernández-Chiñas U, Eslava-Campos CA, Balcázar JL, Molina-López J. Genomic characterization of two bacteriophages (vB_EcoS-phiEc3 and vB_EcoS-phiEc4) belonging to the genus Kagunavirus with lytic activity against uropathogenic Escherichia coli. Microb Pathog. 2022 Apr; 165: 105494. doi: 10.1016/j.micpath.2022.105494.

28. Kachiprath B, Gopi J, Sarasan M, Puthumana J, Chaithanya ER, Philip R. Metavirome mining from fjord sediments of Svalbard Archipelago. Journal of Soils and Sediments. 2024; 24: 2887–2903. doi: https://doi.org/10.1007/s11368-024-03809-7.

29. Chung KM, Liau XL, Tang SS. Bacteriophages and their host range in multidrug-resistant bacterial disease treatment. Pharmaceuticals (Basel). 2023 Oct 16; 16 (10): 1467. doi: 10.3390/ph16101467.