Еще Феликс д’Эрелль заметил, что бактериофаги могут не только растворять (лизировать) микробные культуры, но и приводить их к наследуемым изменениям. В те начальные годы молекулярной биологии ученые еще не знали о способности микробных вирусов переносить гены от одной бактериальной клетки на другую. Это явление перенесения микробными вирусами от одной бактерии на другую генетического материала, в частности, участков ДНК, контролирующих лекарственную устойчивость, открытое в 1952 году американцами Н. Циндером и Дж. Ледербергом (N. D. Zinder, J. Lederberg) на модели кишечной палочки (E. coli), получило название фаговой трансдукции. Подобно трансформации у бактерий, которая происходит при помощи свободной ДНК, трансдукция представляет собой внедрение бактериофага внутрь бактериальной клетки (реципиента) и перенесение части генетического материала, присутствующего в хромосоме или эписоме клетки-донора, на котором бактериофаг до этого размножался. Чаще всего трансдукция применяется для изучения генетических рекомбинаций. Меня больше всего интересовал феномен котрансдукции — т. е. возможности одновременного переноса от микроба-донора микробу-реципиенту не только генов лекарственной устойчивости (пенициллиназные плазмиды), но и одновременно — генов, контролирующих патогенность микроорганизмов — способность вызывать заболевания. Из клинико-бактериологических наблюдений следовало, что у золотистого стафилококка, да и у других клинически активных бактерий (особенно возбудителей внутрибольничных инфекций) устойчивость к антибиотикам всегда сопровождается способностью микроорганизмов вызывать тяжелые патологические процессы. Конечно же, распространение болезнетворных микроорганизмов происходит в соответствии с классическими законами эпидемиологии: источник инфекции — пути распространения микроорганизмов — восприимчивые люди или животные. Но, оказывается, были и другие эпидемиологические пути, когда для поддержания высокого уровня устойчивости к антибиотикам достаточен обмен генами между бактериями. Этот обмен, в частности у стафилококков, мог осуществляться при помощи бактериофагов. Конечно же, после подтверждения такой возможности в опытах in vitro я предполагал перейти к экспериментам на лабораторных животных. Ну и как конечная цель — мечталось найти такие препараты, которые будут предотвращать трансдукцию пени-циллиназных плазмид in vitro и in vivo.

Эксперименты эти были задуманы и начаты еще в Отделе Х. Х. Планельеса в 1969 году и продолжались в Отделе раневых инфекций с прерываниями на другие проекты, поездки и экспедиции вплоть до моего ухода из Института имени Гамалея в январе 1979 года. Общая схема экспериментов сводилась к тому, чтобы бактериофаг, предварительно размножившийся на пенициллиноустойчивой высокопатогенной культуре Staphylococcus aureus и «захвативший» часть донорской ДНК с пени-циллиназной плазмидой и генами, контролирующими способность вызывать патологические процессы, передавал эти свойства на пенициллиночувствительную культуру стафилококка-реципиента. Переносчик донорских генов — бактериофаг — отделялся от донорской культуры при помощи миллипоровых фильтров, на которых задерживались клетки донорской культуры. После контакта бактериофага (фагового лизата) с пенициллиночувствительной культурой стафилококка часть клеток-реципиентов приобретала пенициллиназные плазмиды и становилась пенициллиноустойчивой. Эти клетки росли на среде, содержащей пенициллин, и колонии их выделяли пенициллиназу. Реципиентные же клетки, не получившие пенициллиназную плазмиду, подвергались отрицательной селекции пенициллином — погибали. Эксперименты оказались гораздо сложнее, чем предварительная схема. Даже начиная с опытов in vitro. Достаточно сказать, что результаты успешной трансдукции зависели от количества фаговых частиц в лизате, полученном после размножения бактериофага на донорской культуре стафилококка. Чем больше фаговых частиц, тем больше вероятность переноса генов от донора к реципиенту. Но, одновременно, повышается число клеток-реципиентов, лизированных бактериофагом еще до того, как они стали трансдуктантами. Надо было придумать некий прием, который позволит разделить фаг, размножившийся на донорской культуре стафилококка, на две ветви: лизирующую и трансдуцирующую. Это представление о том, что в стоке бактериофага находятся одновременно два типа вирусных частиц, было, несомненно, навеяно идеями Л. А. Зильбера (1894–1966) о вирусогенетической теории возникновения злокачественных опухолей.

Я начал работать в Институте имени Гамалея с января 1967 года, к моему горькому сожалению не застав в живых Л. A. Зильбера, который основал Отдел вирусологии и иммунологии опухолей. Как и многие ведущие микробиологи нашего Института, Л. А. Зильбер в конце 1930-х — начале 1940-х прошел тюрьмы и лагеря ГУЛАГа. Об этом осторожно (а как было иначе в те годы?) рассказывается в романе В. А. Каверина (брата Л. А. Зильбера) «Открытая книга». Отдел Зильбера, который после его смерти возглавил Г. И. Абелев, был рассадником вольнодумия. Именно здесь работал «диссидент», голосовавший против осуждения Израиля. Некоторые сотрудники этого отдела подписали письмо в защиту А. И. Солженицына. По случайному совпадению я оказался соседом по дому И. С. Ирлина, одного из авторов (Зильбер, Л.А., Ирлин, И.С., Киселев, Ф.Л.) монографии «Эволюция вирусо-генетической теории возникновения опухолей», М. 1975. Бывало, мы возвращались домой и обсуждали возможности связи (подобия) между феноменом передачи онковирусами генетического материала, контролирующего превращение нормальных клеток в клетки раковые, и фаговой трансдукцией. Согласно Зильберу, обычные инфекционные вирусы проникают в клетку, размножаются, клетка погибает и новая генерация вирусов освобождается, чтобы начать следующий цикл. Никакой раковой трансформации не происходит. При внедрении же онковирусов клетка не погибает, а перерождается. Становится раковой клеткой, исходной точкой злокачественной опухоли. Доказательством перерождения является присутствие в геноме раковой клетки «чужеродной, онковирусной ДНК», а среди белков клетки — «чужеродных раковых антигенов». Именно присутствие раковых антигенов навело Зильбера на мысль о вакцинах против рака.

Не происходит ли нечто подобное с микробными клетками и микробными вирусами? Литическая ветвь бактериофага проникает внутрь бактерии (в моих опытах — стафилококка), размножается, клетка погибает, новая генерация бактериофага выбрасывается наружу, как десант, чтобы начать новый литический цикл. Или бактериофаг погибает, если микробные клетки резистентны к его литическим ферментам. При трансдукции микробная клетка не погибает, а изменяется, включив в свой геном участки ДНК, переданные трансдуцирующей ветвью бактериофага. Наряду с идеями Л. А. Зильбера мощное влияние на меня оказали классические работы французского микробиолога Андре Львова (Andre Lwoff, 1902–1994), который получил Нобелевскую премию (1965) за открытие лизогении, феномена, когда бактериофаг инфицирует клетку бактерии и встраивается в бактериальную хромосому как линейный сегмент. При этом клетка не погибает, а микробный вирус, который теперь называется профагом, передается микроорганизмом из поколения в поколение. Нередко лизогенизация сопровождается передачей одного из микробных генов. Например, у дифтерийных палочек лизогенизация сопровождается передачей способности вырабатывать весьма опасный токсин, определяющий патогенез заболевания дифтерии.

Я предположил, что если поместить фаговый лизат в специальные пробирки и подвергнуть ультрацентрифугированию (вращению на огромной скорости в 30 тысяч и более оборотов в минуту), трансдуцирующие фаговые частицы, захватившие донорскую ДНК и поэтому отяжелевшие, окажутся на самом дне пробирки. Лизирующие же частицы, более легкие, будут плавать в надосадочной жидкости. Надо сказать, что в Институте была всего одна ультрацентрифуга, которая располагалась за «семью замками» в одном из лабораторных корпусов. Записываться на ультрацентрифугирование надо было чуть ли не за месяц вперед. Командовал ультрацентрифугой весьма надменный молодой человек, который сразу давал понять, что результаты будущих экспериментов отныне целиком в его руках. Мне повезло. Или я вел себя достаточно дипломатично, или день выпал везучий, но ультрацентрифугирование и последующее разделение литической и трансдуцирующей ветвей бактериофага прошло успешно, и мои донорские фаги работали. Мне удалось передать in vitro от донора к реципиенту способность не только расти на среде с пенициллином, продуцируя бета-лактамазу (пенициллиназу), но и выделять гемолизин — микробный токсин, разрушающий красные кровяные клетки. Пора было переходить к опытам на животных.