Бактериофаги. История открытия.
Бактериофаги (от «бактерии и греч. phagos - пожиратель) - вирусы бактерий, обладающие способностью специфически проникать в бактериальные клетки, peпродуцироваться в них и вызывать их растворение (лизис).
В 1896 г. русский бактериолог Владимир Аронович Хавкин обнаружил антимикробную активность водных образцов из рек Индии. Эти препараты, предварительно пропущенные через бактериальные фильтры, ингибировали рост культуры холерного вибриона.
В 1898 г. русский Н.Ф. Гамалея наблюдал растворение культуры возбудителя сибирской язвы под действием фильтрата этого микроорганизма и назвали его (фильтрат) бактериолизином.
В 1915 г. англичанин Эдвард Творт описал агент, проходящий через бактериальный фильтр и вызывающий лизис стафилококков.
История открытия бактериофагов связана с именем канадского исследователя Ф. д’Эрелля (1917), который обнаружил эффект лизиса бактерий, выделенных из испражнений больного дизентерией. Такие явления наблюдали и другие микробиологи, но лишь Ф. д'Эрелль, предположив, что имеет дело с вирусом выделил этот «литический фактор» с помощью бактериальных фильтров и назвал его бактериoфагом.
В дальнейшем выяснилось, что бактериофаги широко распространены в природе. Их обнаружили в воде, почве, пищевых продуктах, различных выделениях из организма людей и животных, т.е. там, где встречаются бактерии. В настоящее время эти вирусы выявлены у большинства бактерий, как болезнетворных, так и неболезнетворных, а также ряда других микроорганизмов (например, грибов). Поэтому в широком смысле их стали называть просто фагами.
2.Роль бактериофагов в биосфере.
Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространённую 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.
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 (процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом) 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.
3.Строение.
На рис.2 схематически изображена тонкая структура фаговой частицы.
Рис.2. Схема строения фаговой частицы.
Химический состав.
Фаги состоят из двух основных химических компонентов - нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белка. У фагов, имеющих форму сперматозоида, двунитчатая ДНК плотно упакована в виде спирали внутри головки.
Белки входят в состав оболочки (капсида), окружающей нуклеиновую кислоту, и во все структурные элементы хвостового отростка. Структурные белки фага различаются по составу полипeптидов и представлены в виде множества идентичных субъединиц, уложенных по спиральному или кубическому типу симметрии. Кроме структурных белков, у некоторых фагов обнаружены внутренние (геномные) белки, связанные с нуклеиновой кислотой, и белки-ферменты (лизоцим, АТФ-аза), участвующие во взаимодействии фага с клеткой.
Резистентность.
Фаги более устойчивы к действию химических и физических факторов, чем бактерии. Ряд дезинфицирующих веществ (фенол, этиловый спирт, эфир и хлорoформ) не оказывают существенного влияния на фаги. Высокочувствительны фаги к формалину и кислотам. Инактивация большинства фaгов наступает при температуре 65-70˚С. Длительное время они сохраняются при высушивании в запаянных ампулах, замораживании при температуре -185˚C в глицерине.
Морфология бактериофагов.
Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.
Применение современных электронных микроскопов, а также усовершенствование методов приготовления препаратов для электронной микроскопии позволили более детально изучить тонкую структуру фагов. Оказалось, что она весьма разнообразна и у многих фагов более сложна, чем структура вирусов растений и ряда вирусов человека и животных.
Рис.1 Морфологические типы фагов.
I. По форме частиц фаги делятся на шесть основных морфологических типов:
1) палочковидные или нитевидные фаги;
Фаги первого морфологического типа - палочковидные или нитевидные - выявлены у кишечной, синегнойной, чудесной палочек и других бактерий. Средние размеры их: длина - от 7000 до 8500 А, ширина - от 50 до 80 А. Эти фаги отличаются от всех остальных не только большой специфичностью, но и рядом других важных свойств.
2) фаги, состоящие из одной головки, без отростка;
Фаги второго морфологического типа. Частица их состоит из одной головки гексагональной (шестигранной) формы на плоскости. Частицы очень мелкие, средний размер их 230-300 А в диаметре.
3) фаги, состоящие из головки, на которой имеется несколько небольших выступов;
У фагов третьего морфологического типа форма и размеры головки такие же, как у фагов второго типа, но у их головок имеются обычно несколько очень коротких выступов. Возможно, эти выступы являются аналогами отростков.
Фаги второго и третьего морфологических типов отличаются постоянством формы и размеров, независимо от того, против каких микроорганизмов они активны. Эти фаги относятся к мелким формам.
4) фаги, состоящие из головки и весьма короткого отростка;
Фаги четвертого морфологического типа. Частица состоит из головки, размеры которой варьируют от 400 до 640 А в диаметре, и очень короткого отростка. Длина и ширина отростка от 70 до 200 А.
5) фаги, имеющие головку и длинный отросток, чехол которого не может сокращаться;
Фаги пятого морфологического типа наиболее широко распространены. Головка у частиц гексагональной, формы различных размеров - от 500 до 4250 А в диаметре. Размеры отростка: длина - от 1700 до 5000 А, ширина - от 70 до 120 А. Чехол отростка не способен сокращаться.