4) Экспрессия (проявление генов), т. Е. Размножение трансформированного клона клеток, потомство которых будет иметь измененный ген.

Таким образом, при трансформации не добавляется качественно новый признак, а происходит замещение одного генетического участка другим. Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: синтез капсульного полисахарида, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов и т. д. Поскольку при трансформации в реципиентную клетку проникает малый фрагмент ДНК, то чаще происходит трансформация какоголибо одного признака, реже — двух. Возможность трансформации была показана у многих видов микроорганизмов — пневмококков, стафилококков, гонококков, менингококков, кишечной палочки и др. Процесс трансформации наблюдается среди бактерий различных семейств и родов, что говорит о распространении такого механизма переноса генетического материала у бактерий в естественных условиях и о существенной роли его в эволюции.

Трансдукция микроорганизмов

Осуществление переноса генетического материала от клетки донора к бактерииреципиенту с помощью фага получило название трансдукции. Траисдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК из предыдущего хозяина и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную молекулу ДНК, в чувствительную к нему бактериальную клетку. Различают общую (неспецифическую, генерализованную) и специфическую (профагосцепленную) трансдукцию, различающиеся по механизму включения фрагментов хромосомы бактериихозяина в ДНК фага. При генерализованной трансдукции фаг выступает в качестве «пассивного» переносчика генетического материала бактерий, захватывая в головку фрагмент бактериальной ДНК вместо своего генома. Такие транедуцирующие фаги получили название дефектных фагов, геном которых заменяется участком бактериальной ДНК (но не более 3% от генома бактерий, что обусловлено размерами головки фагов). Захват генетического материала донора происходит при репродукции во время деления бактериальной хромосомы и не связан с предварительным включением фага в геном бакОдин и тот же фаг может транедуцировать различные признаки: определяющие ферментативные свойства, синтез аминокислот, устойчивость к антибиотикам, наличие жгутиков и т. п. Поступающие в бактериюреипиент фрагменты хромосомы донора участвуют в ге нетической рекомбинации, включаясь в геном реципиента. Специфическая (ограниченная) трансдукция отличается от генерализованной по проявлению, мехаизму и заключается в передаче гена, локализованного на хромосоме бактерии — донора рядом с фагом. Специфическая трансдукция обеспечивается фагами, несущими фрагменты бактериальной хромосомы в своем собственном геноме. Поэтому этот процесс обязаj тельно сопровождается лизогенизацией, так как фаг захватывает и переносит участки хромосомы донора, локализующиеся около профага. Профаг, несущий участок ДНК клеткихозяина, включается в хромосому реципиентной клетки и приносит новый ген. Феномен трансдукции, происходящий в естественных условиях существования бактерий, видимо, является одним из источников формирования разновидностей бактерий с новыми свойствами, более приспособленными к окружающей среде.

Конъюгация микроорганизмов

В 1946 г. Дж. Ледерберг и Э. Татум описали феномен конъюгации — передачи генетического материала из клетки в клетку при непосредственном контакте бактерий. Исследования проводились на штамме Е. coli К12. Перенос генетического материала происходил толь1 ко в одном направлении; одна клетка являлась донором, другая — реципиентом. Способность бактериальной клетки конъюгировать связана с наличием в ней полового фактораF (от fertility — плодовитость) — внехромосомной автономной детерминанты. Половой фактор представляет собой молекулу ДНК (значительно меньше хромосомы), имеющую кольцевую структуру, обладает способностью к саморепликации. °. Клетки, содержащие половой фактор, помимо донорской активности, отличаются от клеток F (не имеющих полового фактора) рядом свойств: измененным поверхностным зарядом, способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры, получившие название Fворсиики (половые пили). Количество пилей (от 3 до 10), очевидно, соответствует числу копий фактоpa F. Процесс конъюгации начинается с прикрепления клеткиреципиента к кончику полового пиля, затем клетки приближаются друг к другу (возможно, благодаря сократительной функции пиля) — образуется конъюгационный цитоплазматический мостик, через который а происходит передача донорского материала. При контакте клетки F+ передают бактерииреципиенту плазмиду F в виде цельной структуры, причем бактерия F+ не теряет своей донорской способности, так как в ней остаются копии Fфактора. Б то же время клетки F превращаются в донорские, получая FфакГ0Р, и становятся способными к конъюгации. Среди популяции клетокдоноров есть бактерии, которые могут при конъюгации передавать и фрагменты бактериальной хромосомы. Эти штаммы получили название Hfr (от hiqh frequency of recombination) — бактерии с высокой частотой рекомбинации, тличие клеток Hfr от F+ заключается в том, что половой фактор у бактерий Hfr находится в хромосоме, куда он интегрирует в результате кроссинговера (перекрест) между Fфактором и хромосомой. При конъюгации клеток Hfr и F происходит разрыв хромосомы бактерии в месте прикрепления Fфактора (который располагается на дистальном конце хромосомы). Следовательно, и порядок перехода хромосомных маркеров зависит от места прикрепления Fфактора. Может передаваться и вся хромосома, но для этого необходим контакт клеток в течение 90 мин. Конъюгацию у бактерий не следует отождествлять с половым процессом у других организмов, так как при конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала.

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой

Размножение фага происходит только в живых микробных клетках, в результате чего бактерии гибнут. Процесс взаимодействия фага с микробной клеткой проходит несколько стадий. Адсорбция фага. Жизненный цикл фага начинается с прикрепления (адсорбции) фага на поверхностных фагоспецифических рецепторах клеточной стенки бактерий. Фаги с сокращающимися отростками адсорбируются с помощью хвоста. Внедрение фага внутрь клетки. Этот процесс происходит в результате сокращения хвостового чехла и проталкивания стержня сквозь оболочку бактериальной клетки, чему способствует фермент лизоцим, который располагается на конце хвостового отростка. После проникновения стержня в цитоплазму клетки открывается путь для перехода нуклеиновой кислоты из головки фага внутрь микробной клетки. Оболочка головки и отростки остаются снаружи клетки. После проникновения нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки наступает эклипс — фаза, в течение которой не удается обнаружить фаговые частицы. В этот период в клетке разрушается бактериальная ДНК, прекращается производство бактериальных белков. Репродукция фага. Начинается с синтеза ферментов, необходимых для создания фаговой нуклеиновой кислоты. Нуклеиновые кислоты фага в клетке появляются через 5 мин после ее заражения фагом. Через некоторое время происходит синтез структурных белков и других компонентов фага. Формирование фага. Самая первая частичка, которую можно обнаружить в клетке при морфогенезе фага, — базальная пластинка. После базальной пластинки образуются стержень и чехол. Вначале на базальной пластинке монтируется стержень, а затем закрепляется чехол. К этому времени завершается формирова ние головки. Полностью сформированный хвостовой отросток присоединяется к головке и только после этого хвостовые нити могут прикрепляться к базальной пластинке. Цикл размножения фага завершается через 30—40 мин после проникновения фаговой нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки, микробная клетка лизируется и в окружающую среду поступает около 200 новых фаговых частиц. Фаги могут быть вирулентными и умеренными. В ирулентные фаги проникают в микробную клетку, размножаются в ней и вызывают ее лизис. Умеренные фаги вступают в своеобразные симбиотические взаимоотношения с микробной клеткой: проникнув в клетку, они включаются своим геномом в хромосому бактерий и реплицируются вместе с ней. Бактерии, несущие умеренный фаг, получили название лизо генных; фаг, присутствующий в них, называют про фагом, а симбиоз бактериальной клетки с фагом — феноменом лизогении. Лизогения широко распространена и практически выявлена почти у всех видов бактерий. В связи с этим лизогению следует считать не исключительным, а нормальным состоянием микроорганизмов. Фаг (в состоянии профага) может в течение многих лет находиться в бактериях, не теряя способности при определенных условиях превратиться в полноценную фаговую частицу. В эволюционном аспекте процесс лизогснизации можно расценить как выгодный и фагу, и бактериальной клетке. Лизогенная культура приобретает ряд новых полезных для нее свойств: невосприимчивость к повторному заражению гомологичным вирулентным фагом, способность передавать фаг по наследству и продуцировать ряд веществ, синтез которых детерминируется профагом. Изменение свойств бактериальной клетки, связанное с присутствием профага, получило название феномена лизогснной конверсии или фаговой конверсии. Впервые феномен фаговой конверсии описал Фримен в 1951 г. при наблюдении токсигенности у дифтерийной палочки. Он показал, что продукция экзотоксина у дифтерийных бактерий связана с обязательным присутствием профага в клетке. В настоящее время для многих микроорганизмов доказано, что способность выделять экзотоксин детерминирована фагами, находящимися в клетке.

Морфология бактериофагов

Наиболее хорошо изучены крупные фаги, к которым относятся фаги кишечной палочки. По форме они сходны со сперматозоидом и состоят из головки, воротничка, хвостового отростка, базальной пластинки с короткими шипами и хвостовыми нитями. Головка фага напоминает форму шестиугольника диаметром от 60 до 90 нм. Внутри головки находится нуклеиновая кислота, окруженная белковой оболочкой. Хвостовой отросток фага состоит из полого цилиндрического стержня и окружающего его сократительного чехла. Длина хвостового отростка до 250 нм, ширина 20— 25 нм. Базальная пластинка имеет шестиугольную форму, шесть шипов и шесть хвостовых нитей (фибриллы). Хвостовой отросток предназначен для прикрепления фага к бактериальной клетке (рис. 21). Существуют фаги и другого строения: с длинным отростком, чехол которого не сокращается, с коротким отростком, с аналогом отростка, без отростка и нитевидные. Механизм их взаимодействия с клеткой отличается от присущего фагам с сокращающимся чехлом хвоста. Химический состав фага. Фаги состоят из двух основных химических компонентов — белка, на долю которого приходится 60%, и нуклеиновой кислоты — 40%. В природе большинство фагов содержит ДНК, но некоторые фаги имеют РНК. Фаги обладают строгой специфичностью и поражают лишь определенные виды или тины бактерий. Различают моновалентные фаги, лизирующие культуры бактерий определенного вида; типовые фаги, лизирующие отдельные типы внутри вида; поливалентные фаги, способные вызывать лизис группы родственных видов микроорганизмов. На основании специфичности фаги широко используются для идентификации микроорганизмов при диагностике инфекционных болезней.

Практическое применение фагов

Препараты фагов применяют для лечения и профилактики инфекционных болезней, а также в диагностике — для определения фагочувствительности и фаготипироваиия при идентификации микроорганизмов. Действие фагов основано на их строгой специфичности. Лечебнопрофилактическое действие фагов обусловливается литической активностью самого фага, а также иммунизирующим свойством находящихся в фаголизатах компонентов (антигенов) разрушенных микробных клеток, особенно в случае неоднократного применения. При получении препаратов фагов используют проверенные производственные штаммы фагов и соответственно типичные культуры микроорганизмов. Бактери. альнуго культуру в жидкой питательной среде, находящуюся в логарифмической фазе размножения, заражают маточной взвесью фага. Лизированную фагом культуру (обычно на следующий день) фильтруют через бактериальные фильтры и к фильтрату, содержащему фаг, в качестве консерванта добавляют раствор хинозола. Готовый препарат фага представляет собой прозрачную жидкость желтоватого цвета. Для более длительного хранения некоторые фаги выпускаются в сухом виде (в таблетках). При лечении и профилактике кишечных инфекций фаги применяют одновременно с раствором гидрокарбоната натрия, так как кислое содержимое желудка разрушает фаг. Сохраняется фаг в организме недолго (5—7 дней), поэтому рекомендуется применять повторно. В Советском Союзе выпускаются следующие препараты, используемые для лечения и профилактики заболеваний: брюшнотифозный, сальмопеллезный, дизентерийиныи, колифаг, стафилококковый фаг и стрептококковый. В настоящее время фаги применяют для лечения и профилактики в сочетании с антибиотиками. Такое применение оказывает более эффективное действие на антибиотикоустойчивые формы бактерий. Диагностические бактериофаги широко применяются для идентификации бактерий, выделенных от больного или из инфицированных объектов внешней среды. С помощью бактериофагов вследствие их высокой специфичности можно определить виды бактерий и с большей точностью отдельные типы выделенных бактерий. В настоящее время разработаны фагодиагностика и фаготипирование бактерий рода Salmonella, Vibrio и стафилококков. Фаготипирование помогает устанавливать источник инфекции, изучать эпидемиологические связи, отличать спорадические случаи заболеваний от эпидемических. В основе фагодиагностики и фаготипирования лежит принцип совместного культивирования выделенного микроорганизма с соответствующими видовыми или типовыми фагами. Положительным результатом считается наличие хорошо выраженного лизиса исследуемой культуры с видовым, а затем с одним из типовых фагов.