Введение
Бактериофаг, поскольку бактериолитический агент был сначала обнаружен Тортом в 1915, когда он наблюдал любопытное дегенеративное изменение в культурах стафилококков получено из лимфы теленка
В 1917. Д. Эрелль зарегистрировал независимо от его первые стадии наблюдений литических свойств фильтратов смешанных культур, полученных от фекалий пациента страдающего бациллиальной дизентерии. Он был способен демонстрировать, что Литический агент мог быть передан в длительном ряде культур восприимчивой бактерии дополнением к каждой новой культуре, Фильтрат получен, от предшенствуюшего после лизиса произошла. Д. Эрелль дал название бактериофагом этому литическому агенту и заявил, что этот агент был фильтрованным вирусом, который паразитирует на бактериальных клетках.
Фаги очень использовались в изучении бактериальной генетики и клеточных механизмов управления в значительной степени, потому что бактериальные хозяева так легко вырастают и инфицированы с фагом в лаборатории. Фаги также использовались в попытке уничтожить бактерии, которые причиняют эпидемические болезни, но этот подход был в значительной степени оставлен в 1940-ых, когда антибактериальные лекарства стали доступными. Возможность » фагические терапия » недавно привлекла новый интерес среди медицинских исследователей, однако, вследствие увеличивающейся угрозы, изложенной препарат стойкими бактериями. В 2006 Продовольствие и Администрация Препарата одобрило использование бактериофагов, которые нападают на напряжения лицерия как продовольствие, добавочное на изделиях мяса » готовый есть «.
Морфология и строение бактериофагов
Вирусы, поражающие бактерий, актиномицеты и грибы, называются бактериофагами или просто фагами. Они имеют некоторые особенности необходимо рассмотреть несколько подробнее.
Строение фага более сложно, чем строение вирусов животных и растений. Довольна, своеобразна морфология фага. У него различают головку, имеющую овальную форму
иногда шестигранную, призматическую, иногда круглую. От головки отходит более или менее длинный полый отросток. Фаг сравнивают с барабанной, палочкой, булавкой, головастиком. По своим размерам фаги относятся к средним по величине вирусам. Диаметр головки их составляет 60-90 мкм, длина отростка — 250 мкм, толщина — 10-25 мкм. Величина фагов довольно изменчива. Даже разные варианты одного и того же вида фага могут сильно различаться по своим размерам. Молекулярный вес фага 200 млн.
Частица фага является нуклеопротеидом и состоит из белка (50-60%) и ДНК (45-50%),которые фаги содержат небольшое количество липидов (1,5-2%). Белок образует оболочку фага, а ДНК находится во внутреннем пространстве головки фага. Белковая оболочка состоит из большого числа белковых частиц называемых субъединицами.
Физические и Химические свойства
Клетка бактерии-хозяина является средой для бактериофага, откуда он черпает вещества, необходимые для роста и размножения. Фаги более устойчивы к действию физических и химических факторов, чем неспороносные бактерии. В запаянных пробирках фаги могут сохраняться годами. Большинство фагов инактивируется при 65—75°С. Фаги очень чувствительны к действию кислот и устойчивы к действию антибиотиков.
Малые бактериофаги с икосаэдрической формой вириона содержат только белок и нуклеиновую кислоту типа РНК (Леб и Циндер, 1961; Купер и Циндер, 1962; Штраус и Синсхеймер, 1963) или ДНК (Патнем, 1963). У двух описанных нитевидных бактериофагов содержится белок и ДНК.
Крупные спермиеобразные бактериофаги, из которых наиболее изучены» бактериофаги 7П-четной серии, поражающие Escherichia coli имеют сложный белковый состав и нуклеиновую кислоту типа ДНК. По структурным и функциональным особенностям белки бактериофага Т4 распределяются следующим образом:
1. Белковая оболочка головки.
2. Белок «чехла» отростка, обладающий сократительной функцией.
3. Белок проксимальной части отростка, обладающий ферментной логической активностью в отношении бактериальной оболочки.
4. Белок дистальной части отростка, служащий для прикрепления бактериофага к оболочке бактерии — хозяина.
5. Белок стержня отростка.
6.Внутренний белок с неизвестной функцией, находящийся в головке и связавший с системой ДНК.
Почти половина азота бактериофага Т2 приходится на белок, а другая половина — на
ДНК. Около 7% азота содержит кислотнорастворимый материал, химическая природа
которого не установлена. Почти весь фосфор (99%) входит в состав ДНК и только 1 %
его связан с кислотнорастворимой фракцией.
В табл. 7 представлен аминокислотный состав белка бактериофагов Т2, ТЗ — и Т4 и
бактерии-хозяина.
Разнообразие бактериофагов
Важным свойством фагов является их специфичность. Каждый вид фага специфичен к определенному виду микробов. Фаги, лизирующие актиномицеты, называются актинофагами, растворяющие грибы — микофагами, сине-зеленые организмы (цианобактерий) — цианофагами.
В зависимости от вида поражающих бактерий и вызываемые болезни или процессы фаги подразделяются на:
Лизогеннический бактериофаг
Литический бактериофаг
Вегетативный бактериофаг
Кишечный бактериофаг
Стрептококковый бактериофаг
Холерный бактериофаг
Чумной бактериофаг
Происхождение и природа Бактериофагов
По вопросу о происхождении бактериофагов имеются две гипотезы. По одной гипотезе (П. Одюруа, П. П.-Лендлоу) и вирусы и фаг» являются регрессивными формами одноклеточных организмов,, утративших клеточную структуру в результате длительного внутриклеточного паразитирования в организме животных или растений. Вирусы являются дегенеративными потомками бактерий, грибов, организация которых упрощалась, но мере приспособления их: к паразитизму. Возможно, такая регрессивная эволюция произошла с риккетсиями, крупными вирусами, например орнитоза или оспы. Но трудно допустить, что такой регресс был общим для всей этой хорошо-приспособленной к разнообразным условиям существования группы организмов. Кроме того, паразитизм не означает обратного хода эволюции от высшего класса к низшему. Паразитизм не выводит тот или Т-фагов—сложный многоступенчатый процесс. Сначала каждая из многочисленных молекул ДНК образует паракристаллическую частицу, имеющую форму фаговой головки. Затем эти молекулы окружаются капсидом. Позже прибавляются компоненты отростка. (Последовательность этих событий выясняют на условно летальных мутантах, у которых при 25°С все процессы синтеза протекают нормально, а при 43°С тот или другой процесс —у каждого мутанта иной — блокируется.) Наконец клеточная стенка бактерий размягчается фаговым лизоцимом, клетка лопается и фаговые частицы выходят наружу. Такое взрывоподобное разрушение клеток можно наблюдать с помощью темнополыюй микроскопии. Продолжительность скрытого периода и величина урожая фага варьируют в широких пределах, в зависимости от вида фага, вида бактерии и условий среды (фиг. 78). Удалось инфицировать такие бактерии, как Haemophilus influenzae и Bacillus subtilis, пативной, выделенной из бактериофагов ДНК. Подобную инфекцию, соответствующую генетической трансформации, называют также трансфекцией.
Внутриклеточное развитие и явление лизогения
Описанные выше бактериофаги неизменно лизируют зараженные ими бактерии, и потому их называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса. Такие фаги называются умеренными. Видимо, их размножение происходит синхронно с размножением бактерии. Лишь иногда, в одной из 102… 105 таких лизогеиных бактерий, фаг начинает спонтанно размножаться и клетка лизируется. Чтобы обнаружить выход инфекционного фага, в этом случае требуется — в качестве индикатора — другой бактериальный штамм, для которого этот фаг вирулентен. Если смешать лизогенные бактерии с избытком бактерий-индикаторов
и высеять их на агаризованную питательную среду, то будет наблюдаться рост колоний лизогенных бактерий. Время от времени некоторые клетки будут лизироваться и выходящие из них фаговые частицы будут заражать находящиеся по соседству чувствительные (индикаторные) бактерии. Это приведет к появлению бляшек в сплошном бактериальном газоне. Однако в середине каждой такой бляшки сохранится колония лизогенной бактерии (фиг. 79).
Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаг, но эту способность нельзя обнаружить ни морфологическими, ни серологическими исследованиями. Фаг в таком неинфекционном состоянии, дередающийся от клетки к клетке, называют профагом. Подобно другим признакам бактерий наличие профага наследуется. Поскольку все потомство лизогенной клетки также лизогенно, очевидно, профаг реплицируется синхронно с хромосомой клетки-хозяина (фиг. 80). иной вид за пределы своего класса. Паразитические простейшие, черви сохраняют типовые черты организации своего класса. Тем более совершенно неприемлемо предположение об эволюции клеточных форм микроорганизмов в неклеточные формы вирусов.
Большинство исследователей придерживаются другой гипотезы, согласно которой современные вирусы и фаги являются потомками первичных возникших на Земле доклеточных организмов. Патогенные вирусы произошли от свободножившмх древнейших неклеточных организмов, образовав специализированную ветвь облигатных внутриклеточных паразитов. Некоторые ученые думают, что нельзя совершенно исключить возможность существования и в настоящее время свободноживущих неклеточных организмов, ведущих сапрофитный образ жизни» (П. Г. Холодный, Смородинцев).
Размножение бактериофагов 1. условие размножения
Клетка бактерии-хозяина является средой для бактериофага, откуда он черпает вещества, необходимые для роста и размножения. Это, прежде всего относится к аминокислотам и компонентам нуклеиновых кислот. Если в питательной среде отсутствуют отдельные аминокислоты, без которых данный вид бактерии не проявляет роста, то и бактериофаг не размножается.
При благоприятных условиях размножения масса вновь образующихся корпускул бактериофага составляет 0,1 или даже более массы бактериальной клетки. Применение меченых изотопов позволило установить, что на построение тола бактериофага используются вещества как заранее синтезированные клеткой еще до со заражения, так и синтезированные ею уже в процессе инфекции. Например, фосфор ДНК бактериофага Т2 в количестве до 25% берется из соединений, ранее синтезированных клеткой, и на 75% используется из веществ, накопленных после заражения, в то время как белковый азот на 90% ассимилируется из соединений, образовавшихся после
заражения. В случае бактериофага Т7, до 80% фосфора используется из первоначальных запасов хозяина (Лабау, 1951). Имеются указания, что фосфор, входящий в состав бактериофага Т5, не связан с ДНК бактерии, поскольку он извлекается бактерией из среды всего лишь за 2 мин до заражения.
Приведенные данные показывают, что и белок, и нуклеиновая кислота бактериофага синтезируются из низкомолекулярных соединений, при внедрении бактериофага дыхание бактерии не изменяется. Однако при блокировке процессов, обеспечивающих энергетические ресурсы клетки, размножение бактериофага прекращается. Напротив, при некоторых воздействиях, препятствующих делению бактериальных клеток, но не прекращающих метаболические процессы, например, при действии пенициллина или ультрафиолетовой радиации, бактериофаг размножается беспрепятственно. Отсюда можно заключить, что между размножением бактерии-хозяина и бактериофага прямых коррелятивных связей не существует.
Репродукция бактериофага вызывает глубокие патологические изменения в метаболизме бактериальных клеток. У ряда патогенных и непатогенных микроорганизмов к результате заражения их бактериофагом снижается способность разлагать углеводы. В то же время наблюдается активирование комплекса восстановительных ферментов (Клейн и Шур-Шульц, 1947, 1948а, б). У кишечной палочки, зараженной бактериофагом, возрастает активность дегидраз (Клейн, 1954).
Лизис зараженных бактерии происходят, но окончании латентного периода, продолжительность которого различна у разных видов бактериофага. Лизис не связан с образованием инфекционного бактериофага, поскольку он наступает и в том случае, если под действием проф лавина развитие бактериофага нарушается, и вместо нормальных вирионов возникают дефективные неинфекционные частицы (Де Марс и др., 1953). По-видимому, биологической причиной лизиса являются процессы, связанные с размножением бактериофага и с переходом его в фазу покоя независимо от того, происходит ли этот переход нормально или абортивное. Во всяком случае, продолжительность латентного периода остается одинаковой при весьма больших колебаниях продолжительности генеративного цикла бактерии-хозяина, достигающих пятикратного размера из-за различных влияний внешней среды. 2. размножение
Процесс заражения бактериофагом бактериальной клетки начинается с адсорбции вирионов бактериофага на ее оболочке.
Бактериофаги на бактериальных клетках адсорбируются при всех градациях температуры от 0 до 37° С. Однако бактериофаг Т2 при низкой температуре исторгает генеративный материал не в клетку, а л окружающую среду и заражения бактерии