Бактеріофаг, його природа і практичне значення

РЕФЕРАТ на тему:

" Бактеріофаг, його природа

і практичне значення" .

Терміни «бактеріофаги» і «бактеріофагія» стали загальновизнаними. Поряд з ними в літе­ратурі широко застосовується зручний термін «фаг», на позначення і бактеріофагів, що вражають бактерій, і для відкритих дещо пізніше актинофагів (які вражають актиноміцети), альгофагів (що вражають деякі водорості).

Морфологія фагів. Припущення, що бактеріофаги мають корпус­кулярну природу, було висунуто ще Ф. д'Ерелєм. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про мор­фологію та основні особливості фагів Грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи — ТІ, Т2,…, Т7, які розмножуються на Е. соїі штаму В. Однак з кожним роком з’являлися нові дані щодо морфо­логії і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їх­ньої морфологічної класифікації.

Детальні електронно-мікроскопічні дослідження, в поєднанні з деякими фізико-хімічними методами вивчення фагів Т-групи, пока­зали, що кожен фаг складається з різних морфологічних елементів.

Основні частини найкраще вивчених булавоподібних фагів станов­лять головка з білковою оболонкою — капсидом і відросток. Субоди-ниці капсиду називають капсомерами. Структурні елементи склад­них відростків дістали назву зовнішнього чохла, внутрішнього стриж­ня і базальної пластинки, відростка з зубцями і нитками (рис. 1).

Рис. 1 Структура бактеріофага Т2:

А — електронна фотографія фага Т2- Б — схема структури: / - білкові субодиниці капсиду- 2 — головка фага- 3 — ДНК- 4 — відросток- 5 — футляр- 6 — стрижень- 7 — пластинка з шістьма зубцями- 8- нитки відростка А. С. Тихоненко (1972) поділяє фаги з огляду на ускладнення їх­ньої структури (що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п’ять основних груп (рис. 2).

До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують віріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700−850 нм), які складаються з трубкоподібного капсиду зі спіраль­ним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.

Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної фор­ми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві під­групи. Фаги першої підгрупи (S13, <р х 174 та ін.) мають одноланцю-гову ДНК, а фаги другої підгрупи — f2, fr, MS2, R17, М12 — РНК.

До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актино­міцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка ви­діляють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm. typhimurium) — ко­роткий відросток з базальною пластинкою.

До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відрос­тком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, А. та інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.

Рис. 2. Схематичне зображення представників різних груп фагів.

(за А. С. Тихоненком, 1968).

П’яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чох­ла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені (фаг Т2 та інші Т-парні фаги).

Хімічний склад фагів. Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простийпо суті фаги є нуклеопротеїдами, тобто скла;

даються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутріш­ній білок (3−7% загального вмісту білка). У фагів виявлено фермен­ти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нуклеаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клі­тиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо.

Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кисло­ти. У фагів, як і в інших вірусів, е тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага.

У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5−10,5%), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу.

Антигенні властивості фагів. Бактеріофаги володіють антигенни­ми властивостями. При багаторазовому парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки нази­вають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з від­повідними фагами звичайні серологічні реакції - аглютинації, пре­ципітації, зв’язування комплемента, а також спричинюють нейтра­лізацію літичної активності фагів. Антифагові сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при серологічній класифікації фагів.

Взаємодія фагів з бактеріями. Застосування електронної мікро­скопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами. В цьому про­цесі розрізняють два типи взаємодії - літичний і лізогенний. Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої кліти­ни і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.

Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин- 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину- 3) латентний період (екліпс) внутрішньо­клітинного розвитку фага- 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів.

Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів — адсорб-ц і ю. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна плас­тинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах — специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв’язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.

Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спо­стерігати в електронний мікроскоп. Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.

Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермен-та типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбу­вається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі де­тально не з’ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фаго-чутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фага-ми, в яких відростки не скорочуються. !

З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною — латентний (прихова;

ний) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15−40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інфор­мації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бакте­ріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових час­тинок фага.

На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низ­ки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини.

Дещо пізніше в клітині починається синтез «пізніх» білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: голо­вок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага від­повідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох де­сятків до кількох сотень фагових частинок.

Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з’являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на суб­клітинному молекулярному рівні.

Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.

Водночас із формуванням дозрілих віріонів у бактеріальній клі­тині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінкиз їхньою допомогою здійснюєть­ся четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною — лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів на­зовні.

Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними е й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нор­мально розмножується і стає носіями відповідних помірних або сим­біотичних фагів. Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізо-генії.

Рис. 3. Схема циклу розмноження бактеріофага Т2:

І - фаги оточили бактерію- 2 — віріон фага прикріплюється до клітини- 3 — в клітину впорскується вірусна ДНК- 4 — капсид фага залишається ззовні бактерії- 5 — синтезуються нові молекули ДНК- 6 — утворюються білкові оболонки фагів- 7 — відбувається збирання нових віріонів- 8 — бактерія руйнується (лізується), і віріони фага виходять назовні.

Докладне вивчення показало, що існують псевдолізогенні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Пере­важна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тіль­ки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні - це культури, в яких кожна бактерія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його.

Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізогенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної кліти­ни, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізоген-ній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.

Важливою властивістю лізогенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв’язку з цим вивчення помірних фагів лізоген­ної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізогенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.

Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифте­рійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пе-ніцилу тощо.

Профаг лізогенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в резуль­таті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмно­жуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактеріоцинів є дефектни­ми фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.

Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенії, а й щодо з’ясування ролі профагів як додаткових генетич­них факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізоген-ній клітині, дістали назву лізогенних конверсій. Слід за­значити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біо­логії ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.

Практичне застосування бактеріофагів. Уперше різні фаги застосу­вали Ф. д’Ерель та інші дослідники, вивчаючи кишкові інфекції у людини. Практикувалось використання фагів також у хірургічній та акушерсько-гінекологічній практиці при інфекційних процесах, які спричинюються стафілококами, анаеробними клостридіями, а також в офтальмології і стоматології. Поряд з цим нагромадилось багато даних про відсутність лікувального ефекту при застосуванні фагів. Вважають, що основною причиною цього є невдалий підбір фагів. Широке впровадження в практику сульфаніламідних препаратів і антибіотиків також зменшило інтерес до питань фагопрофілактики і фаготерапії бактеріальних інфекцій.

Фагопрофілактика і фаготерапія застосовуються і при різних за­хворюваннях тварин. При паратифі телят використовують гертнер-фаг, при захворюванні поросят — суйпестифер-фаг, при колібакте­ріозі - колі-фаг та інші.

Бактеріофаги черевнотифозної сальмонели, кишкової палички та інших бактерій можуть міститися у воді річок, ставків, водосховищ, колодязів і в забруднених стічних водах. Виявлення фагів у воді або в Грунті може бути показником забруднення цих середовищ відповід­ними бактеріями. Наприклад, виявлення коліфага є показником фе­кального забруднення води.

Поряд з цим слід зазначити, що фаги нерідко можуть завдавати й великої шкоди, зокрема при виробництві антибіотиків, молочнокис­лих продуктів, бактеріальних добрив, гальмуючи розвиток корисних мікробів. Зараження фагами бульбочкових бактерій, азотобактера та інших азотфіксаторів призводить до затримки 'їхнього розвитку, а це погіршує процес фіксації молекулярного азоту, а отже, негативно впливає на врожай.

Віруси не можуть самостійно поширюватись у вірусів у природі природі. Допомагають їм у цьому насамперед — комахи-переносники (віроформні комахи). Фітопатогенні віруси найчастіше переносять по­пелиці, трипси, цикади, кліщі й деякі листогризучі комахи. Наприк­лад, відомо понад 200 видів попелиць — переносників 160 видів вірусів.

Розрізняють два способи перенесення вірусів комахами: меха­нічний і біологічний. При першому способі в ротовий апарат комахи під час живлення разом з поживними речовинами з клітин листя потрапляють і віруси, які вона переносить на здорові рослини. Біологічний спосіб дещо складніший. Після того як вірус через ротовий апарат потрапив до організму комахи, він проходить там інкубаційний період, розмножується і лише після цього комаха протягом тривалого часу може заражати здорові рослини.

Для багатьох вірусів рослин характерний ґрунтовий спосіб поширення, їх поширюють нематоди, які пошкоджують кореневі си­стеми хворих і здорових рослин, а також гриби. Наприклад, гриб ольпідій капустяний може поширювати вірус некрозу тютюну за до­помогою своїх зооспор. Чимало вірусів передається насінням, буль­бами, коренями, цибулинами тощо. Виявлено також, що біля 50 вірусів можуть переноситись повитицею, коли цей бур’ян-паразит перекидається з хворої рослини на здорову. Слід додати, що сама людина сприяє поширенню багатьох вірусів. Це відбувається під час проведення різноманітних агротехнічних заходів: щепленні та об­різуванні дерев, пікіруванні розсади, пасинкуванні рослин тощо, ко­ли сік з випадково поранених хворих рослин потрапляє на руки, одяг або знаряддя праці робітників і переноситься у такий спосіб на пора­нені здорові рослини. Нарешті, віруси звичайної мозаїки квасолі та мозаїки в’яза можуть поширюватись разом з пилком.

Віруси тварин і людини часто поширюються як крапельна інфек­ція. Наприклад, вірус грипу найчастіше передається від хворих до здорових людей під час розмови, кашляння, чхання. Вірус сказу пе­редається зі слиною хворих тварин при укусах. Арбовіруси, що спри­чинюють жовту гарячку, і вірус кліщового енцефаліту поширюються через укуси кровосисних комах (комарів, кліщів тощо).

Віруси бактерій (бактеріофаги) поширюються в природі з вогнищ лізису різних видів бактерій. Помірні фаги поширюються прямим переходом із зараженої материнської клітини в дочірню. Отже, скрізь, де є різні види бактерій, актиноміцетів, можуть поширюва­тись і бактеріофаги, актиноі ціанофаги, що специфічно вражають їх.