Бактериофаги. Их роль в биосфере

Б актериофаги (фаги) (от др.-греч. φᾰγω — «пожираю») — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис⁴. Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК). Размер частиц приблизительно от 20 до 200 нм.

Структура типичного миовируса бактериофага (рис. 1).

Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространенную в биосфере и, предположительно, наиболее эволюционно древнюю группу вирусов. Приблизительный размер популяции фагов составляет более 1030 фаговых частиц.

В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т. д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги. Так, фаги, лизирующие клетки всех видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно богаты фагами черноземы и почвы, в которые вносились органические удобрения.

Бактериофаги выполняют важную роль в контроле численности микробных популяций, в автолизе стареющих клеток, в переносе бактериальных генов, выступая в качестве векторных «систем».

Действительно, бактериофаги представляют собой один из основных подвижных генетических элементов. Посредством трансдукции они привносят в бактериальный геном новые гены. Было подсчитано, что за 1 секунду могут быть инфицированы 1024 бактерий. Это означает, что постоянный перенос генетического материала распределяется между бактериями, обитающими в сходных условиях.

Высокий уровень специализации, долгосрочное существование, способность быстро репродуцироваться в соответствующем хозяине способствует их сохранению в динамичном балансе среди широкого разнообразия видов бактерий в любой природной экосистеме. Когда подходящий хозяин отсутствует, многие фаги могут сохранять способность к инфицированию на протяжении десятилетий, если не будут уничтожены экстремальными веществами либо условиями внешней среды.

Строение бактериофагов

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты⁵, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Рис. 2. Строение бактериофага

1 – головка, 2 – хвост, 3 – нуклеиновая кислота, 4 – капсид, 5 – «воротничок», 6 – белковый чехол хвоста, 7 – фибрилла хвоста, 8 – шипы, 9 – базальная пластинка.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2 – 4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал – одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окруженная белковой или липопротеиновой оболочкой – капсидом, сохраняющим геном вне клетки.

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные. Хвост представляет собой белковую трубку — продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

Фаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Хотя они переносят всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них отсутствуют механизмы для выработки энергии и рибосомы для синтеза белка. У некоторых фагов в геноме содержится несколько тысяч оснований, тогда как фаг G, самый крупный из секвенированных фагов, содержит 480 000 пар оснований — вдвое больше среднего значения для бактерий, хотя всё же недостаточного количества генов для важнейшего бактериального органоида как рибосомы.

Литические циклы

У большинства фагов цикл жизни один (рис. 11.2). Они убивают хозяйскую клетку, чтобы продуцировать новый фаг. Фаги, убивающие хозяйскую клетку, называются вирулентными.

Рис. 11.2. Литический цикл жизни бактериофага (лизис)

Первая ступень литического цикла состоит из заражения хозяйской клетки вирионом, адсорбирующимся на рецепторе на поверхности клетки. Затем фаг вводит свою ДНК в хозяйскую клетку. Обычно белковый капсид фага остается на поверхности клетки (и его, соответственно, называют тенью).

Внутри клетки различные фаги используют разные способы репликации своего генетического материала. Наиболее часто РНК-полимераза клетки транскрибирует ДНК бактериофага в мРНК, которая транслируется в ферменты (необходимые для репликации фагового генома, транскрипции и иногда разрушения ДНК хозяйской клетки), регуляторные белки (контролирующие время активации фаговых белков) и структурные белки (которые образуют белковую часть новых копий фага).

Сборка нового фага напоминает линию конвейера: вирусный геном копируется репликацией по типу катящегося кольца, а копии упаковываются в новые белковые головки. В деталях процесс может отличаться от вируса к вирусу. Так, у Е. coli фаг ТА, например, упаковывает более одной копии генома в головку, отрезая нить ДНК, когда головка полностью заполнена. Это значит, что порядок генов у различных вирусных частиц отличается, а также существует два терминальных (концевых) участка ДНК (делают геном терминально избыточным) на каждом конце ДНК фага и отделяют истинный геном от дополнительной ДНК, упакованной с ним. У некоторых других фагов, например у фага лямбда Е. coli, нить ДНК, продуцируемая репликацией по типу катящегося кольца, разрезается в специфических местах.

Как только фаг собран, продуцируется белок, называемый лизоцимом, который разрушает хозяйскую клетку (процесс называется лизисом) и освобождает обычно от 50 до 300 новых фаговых частиц.

 

Бактериофаги - вирусы бактерий. Являются неклеточными формами жизни, содержат одну из нуклеиновых кислот - ДНК или РНК, которые выполняют функцию генома. У фагов отсутствует белоксинтезирующие системы и самостоятельный метаболизм. Они являются генетическими паразитами и вносят в чувствительную бактериальную клетку закодированную в их геноме программу, выполняя которую,бактерия на своих структурах воспроизводит множество фагов, а сама при этом погибает. Такой способ размножения называется репродукцией.

Фаги широко распространены в природе. Это возбудители инфекционных заболеваний человека, животных, растений. Бактериофаги встречаются везде, где есть микроорганизмы, в которых они паразитируют: в молоке и молочных продуктах, овощах и фруктах, в почве, водоемах, сточных водах, выделениях людей и животных и т.д

Умеренные фаги также способны вызывать продуктивную инфекцию, но для них характерна интегративная(лизогенная) инфекция, при которой ДНК фага встраивается в бактериальную хромосому в виде профага. При этом клетка остается жизнеспособной и становится лизогенной.

Явление лизогении — это особый тип взаимодействия бактериофага с клеткой-хозяином. Суть этого явления заключается в наследственном свойстве бактерий выделять фаг в среду без предварительного инфицирования их данным фагом. Такие бактерии называются лизогенными. Фаг в лизогенных бактериях находится в форме профага. Профаг — это не инфекционная форма фага, свойственная лишь умеренным бактериофагом. Геном умеренного фага в процессе фаговой инфекции интегрируется в геном бактериальной клетки, приобретает форму профага. В такой форме он передается бактериями из поколения в поколение. Бактериальная клетка, несущая профаг, становится иммунной к повторной инфекции ее таким фагом.

Явление лизогении имеет общебиологическое значение для популяции бактерий и фагов. Оно обеспечивает сохранение и распространение популяции фагов в природе, защищает бактерии от лизиса вирулентными фагами, обеспечивает обмен генетической информацией между про-и эукариотами, что имеет большое значение для эволюции. Благодаря этому явлению возможна селекция штаммов микроорганизмов, которые найдут применение в биотехнологии, генной инженерии.

Применение

В медицине

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. Например, применяются бактериофаги: стрептококковый, стафилококковый, клебсиеллёзный, дизентерийный поливалентный, пиобактериофаг, коли, протейный и колипротейный и другие.

Бактериофаги применяются также в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция).

Фаговые векторы обычно создают на базе умеренного бактериофага λ, содержащего двухцепочечную линейную молеклул ДНК. Левое и правое плечи фага имеют все гены, необходимые для литического цикла (репликации, размножения). Средняя часть генома бактериофага λ (содержит гены, контролирующие лизогению, то есть его интеграцию в ДНК бактериальной клетки) не существенна для его размножения и составляет примерно 25 тысяч пар нуклеотидов. Данная часть может быть заменена на чужеродный фрагмент ДНК. Такие модифицированные фаги проходят литический цикл, но лизогения не происходит. Векторы на основе бактериофага λ используют для клонирования фрагментов ДНК эукариот (то есть более крупных генов) размером до 23 т.п.н. Причем, фаги без вставок — менее 38 т.п.н или, напротив, со слишком большими вставками – более 52 т.п.н не развиваются и не поражают бактерии.

В биологии

Бактериофаги M13⁶, фаг Т4⁷, T7 и фаг λ⁸ используют для изучения белок-белковых, белок-пептидных и ДНК-белковых взаимодействий методом фагового дисплея.

Поскольку размножение бактериофага возможно только в живых клетках бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий. Данное направление имеет большие перспективы, поскольку, одним из основных вопросов при разных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур. С помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий была показана возможность изучения этапов взаимодействия фаг-микробная клетка.