Бактериофаг

Бактериофаги были открыты микробиологами Федериком Уильямом Туортом (Англия) и Феликсом д’Эреллем (Канада). Ф. Туорт в статье 1915 года описал инфекционную болезнь стафилококков, вызванную инфекционным агентом, способным проходит через бактериальные фильтры и быть перенесенным от одной колонии бактерий к другой. Д’Эрелль (независимо от Туорта) 3 сентября 1917 года сообщил об открытии таких же инфекционных агентов и ввел термин «бактериофаг» – пожирающий бактерии (отгреч. phagos – пожирающий)^[3][1].

Состояние вопроса

В ходе длительных исследований достоверно установлено, что антибактериальный эффект препаратов бактериофагов основан на внедрении генома фага в клетку бактерии с последующим его размножением внутри ее и лизисом инфицированной клетки. После выхода во внешнюю среду фаги повторно инфицируют и лизируют другие клетки до полного уничтожения патогенных бактерий в очаге воспаления^[3][1].

Бактериофаги отличаются высокой специфичностью действия в отношении штаммов-хозяев, отсутствием токсичности, не способностью вызывать аллергические реакции и дисбактериоз. Они могут применяться в качестве самостоятельного лекарственного средства, а так же совместно с антибиотиками и иммуноукрепляющими препаратами^[3][1].

Несмотря на масштабы накопленного научного материала многие вопросы, касающиеся биологических свойств бактериофагов, требуют дополнительных исследований. В частности не выяснена функция многих продуктов, синтезируемых фагами, нет единой схемы таксономии и морфологической классификации, нет стандартных наборов бактериофагов многих возбудителей, схем и регламента их применения^[3][1].

Развитие бактериофага в культуре бактерий рода Xanthomonas

Развитие бактериофага в культуре бактерий рода Xanthomonas

---

^[4]

Морфология и структура

Как и прочие вирусы, во внеклеточной форме бактериофаги являются метаболически инертными частицами. Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, строению фаговой частицы, морфологии негативных колоний, характеру взаимодействия с микробными клетками^[1].

Для обозначения бактериофагов используются буквы латинского и греческого алфавитов. В частности хорошо изучены фаги кишечной палочки: λ, ϕX174, fd, f2, R17, Т2^[1].

Большинство из фагов относятся к сложным вирусам и состоят из хорошо сформированной икосаэдрической (кубической) головки и хвоста (отростка) различной степени выраженности, иногда имеющего дополнительные структуры. Все структуры отростка имеют белковую природу. Размер фага колеблется от 20 до 200 нм. Средний диаметр головки – от 60 до 100 нм, длина отростка – 100–200 нм. Длина хвоста, как правило, в 2–4 разабольше диаметра головки^[2][1].

Головка состоит из генетического материала (двух цепочечной или одноцепочечной нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) с ферментом транскрипаза в неактивном состоянии) и капсида (белковой оболочки). Нуклеиновая кислота и капсид вместе образуют нуклеокапсид^[1].

Хвост представляет собой белковую полую трубку окруженную чехлом, содержащим сократительные белки. Чехол является продолжением белковой оболочки головки. В основании хвоста находится АТФ-аза, регенерирующая энергию для инъекции генетического материала (сокращения чехла отростка бактериофага). У некоторых вирусов чехол сокращается, обнажая часть стержня. На конце хвоста у многих фагов присутствует базальная пластинка с тонкими длинными нитями, способствующими прикреплению его к бактерии. Кроме того в области базальной пластинки присутствует фермент – бактериофаговый лизоцим, способный разрушать муреин клеточной стенки бактерии^[2][1].

Морфологические типы

Описание структуры и морфологии бактериофагов приведенное выше соответствует наиболее изученным Т-фагам (типовым фагам). Они составляют группу коли-дизентерийных фагов, включающую 7 представителей: 4 нечетных Т1, ТЗ, Т5 и Т7 и 3 четных Т2, Т4, Т6^[1].

Классические иди «хвостатые» фаги составляют основную массу бактериофагов, около 96%. Однако установлено, что тонкая структура фагов более разнообразна и сложна, чем структура фитопатогенных вирусов и зоопатогенных вирусов. В настоящее время исследовано большое количество фагов с морфологией отличной от представленной выше^[1].

По форме вирусных частиц фаги делятся на шесть основных морфологических типов:

1. Палочковидные или нитевидные^[1].
2. Головка без отростка^[1].
3. Головка и несколько небольших выступов (отростков)^[1].
4. Головка и один небольшой короткий отросток^[1].
5. Головка и длинный отросток, чехол которого не сокращается^[1].
6. Головка и длинный отросток, чехол которого сокращается^[1].

Строение бактериофага (на примере Т-четного фага)

Строение бактериофага (на примере Т-четного фага)

---

1. Головка; 2. Хвост; 3. Нуклеиновая кислота; 4. Капсид; 5. «Воротничок»; 6. Белковый сократительный чехол вокруг полого стержня хвоста; 7. Фибриллы ( нити) хвостового отростка; 8. Шипы; 9. Базальная пластинка^[1].

Геномы

Геномы бактериофагов характеризуются большим разнообразием. Объемы геномов варьируют от 20 до 700 kb. Длина большинства фаговых геномов составляет около 50 kb^[2][1].

Длина самого крупного бактериофага (G) равна 670 kb. Это самый крупный из всех вирусных геномов. Его размер в четыре раза превышает самый маленький бактериальный геном^[2][1].

Встречаются фаги, геном которых сегментирован, но в основном геномы представлены целыми линейными или кольцевыми молекулами нуклеиновых кислот. Большинство изученных бактериофагов имеют двухцепочечную ДНК. Однако обнаружены группы с одноцепочечной ДНК, двухцепочечной и одноцепочечной РНК^[2][1].

Химический состав

Бактериофаги состоят из нуклеиновой кислоты и белка. Общее количество белка – 50–60%, нуклеиновых кислот – 40–50 %. В составе некоторых фагов имеются ДНК с азотистыми основаниями. Вместо цитозина может присутствовать5-оксиметилцитозин. Внутри головки фага Т2 обнаружен белок с полиамидами в составе. Он способствует суперспирализации ДНК и способствует размещению достаточно длинной ДНК в головке небольшого размера. В частицах многих фагов под чехлом присутствует фермент лизоцим^[2][1].

Электронная микроскопия бактериофагов

Электронная микроскопия бактериофагов

---

 Морфологические типы.

 Увеличение X 400 000–600 000

1. Палочковидные или нитевидные^[1]; 2. Головка без отростка^[1]; 3. Головка и несколько небольших выступов (отростков)^[1]; 4. Головка и один небольшой короткий отросток^[1]; 5. Головка и длинный отросток, чехол которого не сокращается^[1]; 6. Головка и длинный отросток, чехол которого сокращается^[1].

Классификация бактериофагов

Современная классификация бактериофагов основана на строении фаговой частицы и характеристике нуклеиновой кислоты. Прежде всего фаги, как и все остальные вирусы, делятся на РНК-содержащие и ДНК-содержащие. В соответствии с Международной классификацией и номенклатурой вирусов в настоящее время из наиболее исследованных бактериофагов выделяют 13 семейств, в том числе: Myoviridae (частица без оболочки с сократительным хвостом, двухцепочечная ДНК линейная), Rudiviridae (частица без оболочки, палочкообразная, двухцепочечная ДНК линейная), Bicaudaviridae (частица без оболочки, лимонообразна, двухцепочечная ДНК кольцевая)^[1].

Отдельные семейства объединены в два порядка. Для большинства порядки не определены^[1].

Жизненный цикл

^[2]Как указывалось выше, бактериофаги характеризуются специфичностью к определенным видам бактерий. Однако, взаимоотношение между фагами и бактериями сложны и не всегда завершаются лизисом чувствительной к нему клетки и размножением фага^[1].

В зависимости от специфичности различают:

• моновалентные бактериофаги – лизируют культуры бактерий определенного вида;
• типовые бактериофаги – лизируют отдельные штаммы внутри вида;
• поливалентные бактериофаги – вызывают лизис группы родственных видов микробов.

Инфекцию клетки, заканчивающуюся ее гибелью и размножением в ней фага, называют продуктивной^[1].

Главная особенность бактериофагов: размножение происходит только в живых клетках, находящихся в состоянии развития и роста. В мертвых клетках и в продуктах клеточного обмена размножение фагов не происходит^[1].

По характеру взаимодействия с бактериальными клетками различают две группы:

1. Вирулентные бактериофаги – всегда лизируют зараженные бактерии и имеют только один путь развития – литический цикл^[1][2].
2. Умеренные бактериофаги – ведут себя двояко: после проникновения в клетку нуклеиновая кислота вируса может быть вовлечена в литический цикл или вступает с клеткой-хозяином в своеобразные симбиотические отношения. Она встраивается в хромосому бактерии и превращается в профаг, передаваясь всему потомству клетки (лизогенный путь). При этом бактерии, содержащие профаг, называют лизогенными бактеиями^[1][2].

Умеренные и вирулентные бактериофаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой имеют одинаковый путь развития. Период с момента инфицирования клетки до ее лизиса называется латентным периодом. Первая половина латентного периода, когда фаг не удается обнаружить в клетке, называют скрытым периодом. Каждая система бактериофаг – бактерия характеризуются конкретными величинами латентного и скрытого периода. Продолжительность этих периодов зависит от температуры, состава среды и многих других факторов. Продолжительность латентного периода варьирует от 15 минут до 5 часов и более. При низкой температуре она увеличивается^[1].

Реакция на химические и физические факторы

Бактериофаги проявляют большую устойчивость к действию физических и химических факторов окружающей среды, чем многие зоопатогенные и фитопатогенные вирусы. Большинство фагов активируются при температуре более +65°C–+70°C. Они хорошо переносят замораживание и длительно сохраняются при низких температурах и высушивании. 0,5% раствор сулема (хлористой ртути), 1,0% раствор фенола не оказывают на фаги инактивирующего действия. 10% раствор формалина инактивирует фаговые частицы в течение нескольких минут. Бактериофаги резистентны к воздействию ионизирующей радиации и ультрафиолетового излучения^[3][1].