1. Бактериофаги : определение, история открытия, морфология и ультраструктура на примере т- четных бактериофагов кишечной палочки, свойства, лизогенная конверсия, лизогения, практическое использование

В 1917 г. французский микробиолог Д'Эррель изучал возбудителя дизентерии, наблюдал лизис бактериальной культуры при внесении в нее фильтрата испражнений больных людей.

Лизирующее начало сохранялось при многократном пассировании культуры дизентерийных бактерий и даже становилось более активным. Агент, растворяющий бактерии, автор называл бактериофагом («пожиратель» бактерий от лат. pha-gos — пожирающий), а действие бактериофага, заканчивающееся лизисом бактерий, — феноменом бактериофагии.

Вместе с тем Д'Эррель правильно оценил биологический смысл открытого им феномена. Он высказал предположение, что бактериофаг является инфекционным агентом, лизирующим бактерии, вследствие чего в окружающую среду поступают дочерние фаговые частицы. На твердых средах, засеянных смесью фага с бактериальной культурой, в местаЗс лизиса бактерий появляются стерильные пятна или негативные колонии фагов. Посев этой же бактериальной культуры на жидкую среду приводит к просветлению среды. Позднее было показано, что фаги являются бактериальными вирусами, имеющими в качестве хозяев бактерии определенных видов. Номенклатура бактериофагов основана на видовом наименовании хозяина. Например, фаги, лизирующие дизентерийные бактерии, получили название дизентерийных бактериофагов, сальмонеллы — сальмонеллезных бактериофагов, дифтерийные бактерии — дифтерийных бактериофагов и т. д.

В истории микробиологии изучение феномена бактериофагии занимает особое место. Простота культивирования, короткий период генерации, высокий выход фагового потомства и возможность точного его количественного учета способствовали успешному изучению многих проблем молекулярной генетики и общей вирусологии. В частности, в системе фаг — бактериальная клетка впервые было открыто явление ли-зогении, получившее позднее название интегративной инфекции.

Структура. Большинство фагов имеют сперматозоидную форму. Они состоят из головки, которая содержит нуклеиновую кислоту, и отростка. У некоторых фагов отросток очень короткий или вовсе отсутствует. Размеры фаговой частицы колеблются от 20 до 200 нм. Средний диаметр головки равен 60—100 нм, длина отростка 100—200 нм.

Различают несколько морфологических типов бактериофагов (рис. 5.9.). К I типу относятся нитевидные ДНК-содержащие фаги, которые лизируют клетки бактерий, несущих F-плазмиду

(см. 6.7). II тип составляют фаги с аналогом отростка. Это мелкие РНК-содержащие фаги и однонитевой ДНК—фаг ф/174. К III типу относятся фаги ТЗ, Т7 с коротким отростком, к IV типу — фаги с несокращающимся чехлом отростка и двуните-вой ДНК (Tl, T5 и др.). V тип представляют ДНК-содержащие фаги с сокращающимся чехлом отростка, заканчивающимся базальной пластинкой разной формы (Т2, Т4, Т6).

Наиболее изучены Т-фаги (англ, type — типовые). Они составляют Т-группу коли-дизентерийных фагов, включающую 7 представителей: 4 нечетных Т1, ТЗ, Т5 и Т7 и 3 четных Т2, Т4, Т6. Наиболее сложной оказалась структура Т-четных фагов, в частности Т2 (см. рис. 5.9). Он состоит из головки гексагональной формы и отростка. Последний образован полым стержнем диаметром около 8 нм. Снаружи стержень окружен чехлом, способным к сокращению. На дистальном конце отростка имеется шестиугольная базальная пластинка, в углах которой располагаются короткие зубцы. От каждого зубца отходит по одной нити длиной 150 нм. Базальная пластинка и нити осуществляют процесс адсорбции фага на бактериальной клетке.

Химический состав. Фаги, как и другие вирусы, состоят из нуклеиновой кислоты и белка. Большинство их них содержат двунитевую ДНК, которая замкнута в кольцо. Однако существуют и однонитевые фаги, например фаг ф%174. В составе некоторых фагов обнаружены ДНК с необычными азотистыми основаниями. Так, у фага Т2 вместо цитозина содержится 5-ок-симетилцитозин. Некоторые фаги содержат РНК.

Капсид головки фага и чехол отростка построены из полипептидных субъединиц по кубическому (головка) и спиральному (отросток) типу симметрии.

В частицах некоторых фагов под чехлом дистальной части отростка (фаг Т2) содержится фермент лизоцим. Внутри головки у фага Т2 обнаружен внутренний белок, в состав которого входят полиамины (спермин, путресцин). Этот белок играет определенную роль в суперспирализации фаговой ДНК, которая только в таком виде может разместиться в сравнительно небольшой головке.

Резистентность к факторам окружающей среды. Фаги более устойчивы к действию физических и химических факторов, чем многие вирусы человека. Большинство из них инактивируются при температуре свыше 65°—70 °С. Они хорошо переносят замораживание и длительно сохраняются при низких температурах и высушивании. Сулема (0,5% раствор), фенол (1 % раствор) не оказывают на них инактивирующего действия. В то же время 1 % раствор формалина инактивирует фаг через несколько минут. Ультрафиолетовые лучи и ионизирующая радиация также вызывают инактивирующий эффект, а в низких дозах — мутации.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризуется последовательной сменой тех же стадий, которые были рассмотрены для вирусов животных и человека. Однако имеются и некоторые особенности.

Адсорбция фага на бактериальной клетке происходит только при соответствии фаговых рецепторов, расположенных на конце отростка, с рецепторами бактериальной клетки, связанными с клеточной стенкой. Некоторые фаги адсорбируются на половых ворсинках (sex pili), контролируемых F- или R-плаз-мидами (см. 6.7). На бактериях, полностью лишенных клеточных стенок (протопласты), адсорбции фагов не происходит.

На адсорбцию фагов большое влияние оказывают состав и рН среды, температура, а также наличие некоторых аминокислот или других соединений, например триптофана для фага Т2.

Проникновение фага в бактериальную клетку происходит путем инъекции нуклеиновой кислоты через канал отростка. При этом, в отличие от вирусов человека и животных, капсидные белки головки и отростка остаются вне клетки.

Некоторые фаги вводят свою ДНК без предварительного повреждения клеточной стенки бактерий, другие — сквозь отверстия, которые они пробуравливают в клеточной стенке с помощью лизоцима, содержащегося в их капсиде.

Однонитевая ДНК фага ф^174, а также нуклеиновая кислота нитчатых фагов проходят в клетку вместе с одним из кап-

сидных белков.

Репликация фаговой нуклеиновой кислоты и синтез фагоспецифических

ферментов транскрипции и репликации происходят примерно так же, как и при репродукции других вирусов. Однако латентный период инфекции, т. е. время для формирования фагового потомства, значительно короче.

Сборка фаговых частиц, или морфогенез, заключается в заполнении фаговой ДНК пустотелых капсид головки.

Выход зрелых фагов из бактериальной клетки происходит путем «взрыва», во время которого зараженные бактерии лизируются. Лизис происходит при участии фагового ли-зоцима либо без него. Некоторые ДНК-содержащие нитчатые фаги (например, фаг fd) освобождаются из клетки путем «просачивания» ДНК через цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку бактерии, во время которого они приобретают капсиды. Бактериальная клетка при этом сохраняет свою жизнеспособность.

Лизогенизация лежит в основе фаговой или лизогеннрй конверсии. Она заключается в изменении свойств у лизогенных бактерий, например приобретении способности продуцировать токсин, изменять морфологию, антигенные другие признаки. Механизм этого явления связан с внесением новой информации в бактериальную клетку.