Бактериофагами называют вирусы, использующие в качестве хозяев только бактерии и обладающие специфичностью действия в отношении своих хозяев — бактериальных клеток. Бактериофаги не могут инфицировать более сложные эукариотические организмы из-за кардинальных различий в коде внутримолекулярных механизмов и различий в строении клеточных оболочек.

Бактериофаги широко распространены в природе: почве, воде морской и речной, стоках. Их выделяют из клинического материала от больных (гной, фекалии и др.). Они найдены почти у всех видов бактерий. Активность бактериофагов при определенных условиях проявляется в виде лизиса (разрушения) своих хозяев.

К первым исследованиям в области бактериофагии относят сообщения Э. Ханкина. В 1896 г. он обнаружил антимикробную активность водных образцов, взятых из рек Индии. Эти препараты, предварительно пропущенные через бактериальные фильтры, ингибировали рост культуры холерного вибриона. В 1898 г. Н.Ф. Гамалея с сотрудниками наблюдал растворение культуры возбудителя сибирской язвы под действием фильтрата этого микроорганизма; он назвал это вещество бактериолизином.

В 1915 г. Эдвард Творт сообщил об агенте, проходящем через бактериальный фильтр и вызывающем разрушение стафилококков. В 1917 г. Феликс Д’Эррель описал феномен литического действия фильтрата испражнений переболевшего дизентерией, что выразилось в просветлении бульонной культуры и образовании «стерильных пятен» на агаровой культуре возбудителя. Он назвал это явление бактериофагией, а литический агент, способный размножаться на гомологичных бактериях,—бактериофагом (от лат. bacteriophaga—разрушающий бактерии). Идея использования фагов в лечебных целях была успешно реализована им при лечении бубонной чумы в Египте и холеры в Индии.

В своей книге «Бактериофаги» (1922) Д’Эррель описал природу фага, методы его выделения. Вся его дальнейшая деятельность была посвящена изучению бактериофагов, их использованию в лечении инфекционных заболеваний. В настоящее время бактериофаги применяют в медицине для диагностики, лечения и профилактики инфекционных заболеваний.

Неоценима роль бактериофагов как моделей генетических и биохимических исследований, начатых в 30-е годы прошлого столетия. За несколько десятилетий изучения систем фаг—клетка были сформулированы основные принципы современной молекулярной биологии.

а) Химический состав. Основными компонентами бактериофагов являются белки (50-60%) и нуклеиновые кислоты (40-50%), представленные либо ДНК, либо РНК. Следует отметить, что в состав бактериальных вирусов могут входить как 1-цепочечные, так и 2-цепочечные ДНК и РНК. Некоторые фаги содержат липиды и другие минорные компоненты (гликопротеины, низкомолекулярные сахара, полисахариды, полиамины).

б) Морфология бактериофагов. После открытия явления бактериофагии вопрос о структурной организации бактериальных вирусов долгое время оставался открытым. Интенсивное развитие этого направления началось после внедрения в практику электронно-микроскопических вирусологических исследований. В 1943 г. Руска опубликовал первые электронные микрофотографии нескольких бактериофагов. Впоследствии авторы совершенствовали методики приготовления вирусных препаратов и их контрастирования для изучения под электронным микроскопом, который, в свою очередь, модернизировался год от года. К настоящему времени известно несколько сотен публикаций, где представлены данные о морфологии различных фагов.

Обобщение этих результатов позволило все известные бактериальные вирусы разделить на так называемые морфотипы. Эта классификационная схема учитывает как строение фаговой частицы, так и особенности ее химического состава.

На рисунке ниже представлены электронные микрофотографии бактериальных вирусов различных морфотипов. Бактериофаги одного морфотипа могут значительно отличаться друг от друга по строению отдельных дискретных структурных элементов. Это относится прежде всего к сложно устроенным фагам с сокращающимися хвостовыми отростками. На рисунке ниже представлена схема строения фага Т2 Е. coli. На электронной микрофотографии можно видеть несколько структурных компонентов отростка бактериального вируса Т2: чехол, стержень, базальную пластинку и хвостовые фибриллы.

в) Резистентность фагов к инактивирующим агентам. Большинство известных бактериальных вирусов сохраняют активность при pH от 3 до 9, выдерживают давление в несколько тысяч атмосфер и могут длительно (3-5 лет) храниться в лиофилизированном состоянии. Вместе с тем фаги инактивируются при температуре 60 °С в течение 30-60 мин. УФ-облучение приводит к быстрой гибели бактериофагов.

Все бактериальные вирусы резистентны к протеолитическим ферментам и нуклеазам. Бактериофаги, не содержащие липиды, устойчивы к хлороформу. Ферментные яды (натрия азид, динитрофенол, флорид) не инактивируют фаги. Эти агенты иногда добавляют к фаговым препаратам для предотвращения их контаминации бактериями и грибами.

г) Специфичность взаимодействия фагов с бактериями. Для бактериофагов характерна строгая специфичность, что выражается в способности лизировать бактерии только одного вида—видовая специфичность, либо внутри вида—типовая специфичность. Если фаги лизируют бактерии близких видов, входящих в один род, например, в род Shigella (возбудители дизентерии), то они называются поливалентными.

По конечному результату взаимодействия с клеткой все фаги можно разделить на вирулентные и умеренные.

Инфицирование чувствительных бактериальных клеток активными фаговыми частицами называется фаговой инфекцией. Она состоит из следующих этапов (на примере Т-четного фага Е. coli);

1. Стадия адсорбции — при наличии соответствующих рецепторов на поверхности бактериальной клетки (фагочувствительный штамм) фаг фиксируется при помощи нитей отростка. При избытке бактериофага на одной клетке может адсорбироваться 200-300 фаговых частиц. На микрофотографии показана адсорбция бактериальных вирусов С1 и В1 морфотипов на бактериях-хозяевах.

2. Стадия инъекции фаговой нуклеиновой кислоты внутрь бактерии — шипы базальной пластинки примыкают к бактериальной клетке, чехол сокращается, и через канал стержня нуклеиновая кислота фага впрыскивается внутрь клетки. Пустая белковая оболочка остается снаружи.

3. Затем следует стадия репродукции нуклеиновой кислоты и белков фага за счет внутренних структур бактерии.

4. Вегетативная стадия — нуклеиновая кислота фага перепрограммирует обмен веществ бактерии на репродукцию фаговых частиц (вегетативный фаг).

5. Последним этапом фаговой инфекции является стадия лизиса клетки и выхода зрелых фаговых частиц, готовых к новому заражению. Их количество варьирует от нескольких частиц до нескольких сотен в зависимости от вида фага.

Далее указанный литический процесс повторяется с новыми и новыми бактериальными клетками. Он характерен для вирулентных фагов. Визуально в жидкой питательной среде это проявляется в виде просветления бульонной культуры вплоть до полной прозрачности, на плотной питательной среде — в виде прозрачных пятен — фаговых колоний, которые могут сливаться в зону сплошного лизиса.

д) Умеренные фаги, инфицируя бактериальную клетку, встраивают свою нуклеиновую кислоту в генетический материал бактерии, репродуцируясь синхронно с ним в процессе деления клетки. В результате новые бактериальные клетки несут в себе неактивную форму фага — профаг. Такое состояние бактерии называется лизогенным. Лизогенные бактериальные штаммы устойчивы к повторному заражению этим фагом. Данное явление связано с образованием особого цитоплазматического белка-репрессора, препятствующего размножению вегетативных фагов. Этот же репрессор препятствует обратному переходу профага в вегетативное состояние и подавляет синтез фаговых белков.

При воздействии на лизогенные штаммы УФ-излучением или некоторыми химическими веществами (митомицин С, алкилирующие агенты) вследствие инактивации репрессора может индуцироваться развитие профага, ведущее к переходу в вирулентную форму с последующим лизисом бактериальной клетки.

Лизогенизация часто сопровождается изменением свойств бактерии. Примером тому может быть переход нетоксигенного штамма возбудителя дифтерии в токсигенный. Следует отметить, что этот феномен наблюдали только в экспериментальных условиях—in vitro, но не in vivo. Изменение характеристик бактериального штамма под влиянием профага называется фаговой конверсией.

На практике это может иметь негативное значение, например, на микробиологических производствах при лизогенности штаммов — продуцентов вакцин, антибиотиков, при производстве препаратов нормофлоры, в молочной промышленности — при производстве кисломолочных продуктов и сыров.

- Читать далее "Методы выделения бактериофага из патологического материала и объектов внешней среды"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.07.2019