Фаги - віруси бактерій, найбільший портал по навчанню
Фаги - віруси бактерій
Будова фага більш складно, ніж будова вірусів тварин і рослин. Досить своєрідна морфологія фага. У нього розрізняють головку, що має овальну форму, іноді шестигранную, призматичну, іноді круглу. Від головки відходить більш-менш довгий порожнистий відросток. Фаг порівнюють з барабанною паличкою, шпилькою, пуголовком. За своїми розмірами фаги відносяться до середніх по величині вірусам. Діаметр головки їх становить 60-90 ммк, довжина відростка - 250 ммк, товщина - 10-25 ммк. Величина фагів досить мінлива. Навіть різні варіанти (типи) одного і того ж виду фага можуть сильно відрізнятися за своїми розмірами. Молекулярний вага фага 200 млн.
Частка фага є нуклепротеідом і складається з білка (50-60%) і ДНК (45-50%). Деякі фаги містять невелику кількість ліпоїдів (1,5-2%). Білок утворює оболонку фага, а ДНК знаходиться у внутрішньому просторі головки фага. Білкова оболонка складається з великого числа білкових частинок, званих субодиницями.
Деякі вчені вважають, що ДНК фага має дуже невелику домішку білка, який відрізняється від білкової оболонки фага. ДНК різних фагів відрізняються один від одного і від ДНК клітин бактерій, в яких вони мешкають. Кишкова паличка містить ДНК близько 5%, а лизирующие її фаги - близько 45%. Крім того, ДНК кишкової палички має підставу цитозин, а її фаг містить іншу підставу, кілька відрізняється від цитозину.
Фаги є паразитами бактерій (фаг - пожирач). Вони знайдені майже у всіх хвороботворних для людини і тварин бактерій і у багатьох непатогенних мікробів, в тому числі у молочнокислих бактерій, азотобактера, бульбочкових бактерій, у багатьох променистих грибів, з яких готують антибіотики. Фаги широко поширені в природі. Вони знаходяться там, де зустрічаються бактерії і актиноміцети. Їх виділяють з молока, грунту, води, що містять велику кількість мікробів. Основним джерелом фагів хвороботворних мікробів є хворі люди і тварини, а також бацилоносії. Фаги виділяються при кишкових інфекціях з випорожнень, при гнійних захворюваннях з гною. Особливо легко вони виділяються в період одужання.
Мал. 2. Розміри і будова фага Т2
Для отримання фага матеріал, що містить його (вода, грунт, випорожнення, гній і ін.), Висівають на рідку живильне середовище. В термостаті на живильному середовищі виростають бактерії, і в них починають розмножуватися відповідні фаги. Виросла культуру фільтрують через бактеріальний фільтр. Бактерії залишаються на фільтрі, а фаг переходить в прозорий фільтрат. Якщо цей фільтрат додати до свіжої бульонной культурі відповідних бактерій, то фаг зруйнує тіла бактерій і культура посвітлішає. На суцільному нальоті бактерій на твердому живильному середовищі спостерігаються порожні прозорі круглі плями. У цих плямах знаходяться розмножилися в клітинах бактерій і лизировать їх частки фага. Такі плями називаються бляшками або негативними колоніями фага. Якщо з цих бляшок петлею посіяти в культуру чутливого мікроба, то знову відбудеться явище бактеріофагії.
Фаги більш стійкі до дії фізичних і хімічних чинників, ніж неспороносні бактерії. У запаяних пробірках фаги можуть зберігатися роками. Більшість фагів інактивується при 65-75 °. Фаги дуже чутливі до дії кислот і стійкі до дії антибіотиків.
Важливою властивістю фагів є їх специфічність. Кожен вид фага специфічний до певного виду мікробів. Часто спостерігається навіть біліше вузька специфічність всередині виду - типова. Типоспецифічний фаг діє не на всі культури даного виду бактерій, а тільки на деякі. Так, брюшнотифозная бактерія щодо черевнотифозними фага розділяється на 44 типу.
Але специфічність фага відносна. Фаг можна адаптувати (пристосувати) до паразитування на іншому вигляді бактерій шляхом багаторазових пересівань з клітинами одного виду бактерій. Наприклад, черевнотифозний фаг можна адаптувати до дизентерійної палички зі спадковою втратою властивості лизировать черевнотифозну паличку. Деякі клітини чутливої до фагу культури можуть придбати стійкість до руйнівній дії фага з передачею цієї властивості у спадок. Освіта фагоустойчівих культур бактерій відбувається часто в результаті мутацій.
Фаги проходять ті ж чотири фази розвитку, що і віруси. Фаг прикріплюється до клітини своїм відростком, а не головкою. На кінці відростка є довгі (130 ммк), але дуже тонкі (2 ммк) білкові нитки, які вловлюють в середовищі бактерії. Фаг прикріплюється до клітини бактерії особливими присосками на кінці відростка.
У відростку фага є фермент типу лізоциму і молекула багатого енергією аденозинтрифосфату. Фермент розпушує оболонку бактерійної клітини, кінчик відростка стискається завдяки енергії АТФ і, як мікрошпріцем, впорскує нуклеїнову кислоту фага в клітку. Білкова оболонка залишається зовні бактерійної клітини і подальшої участі в розвитку фага не приймає.
У наступній фазі, в першій її половині, нуклеїнова кислота, яка проникла в бактерійних клітку, не виявляється. В цей час вона, мабуть, включається в генетичний апарат клітини і перебудовує клітинні механізми синтезу, направляючи їх на виробництво фаговой нуклеїнової кислоти і фагового білка. Про хід дозрівання фагів в цей період стало відомо в результаті вивчення надтонких зрізів бактерійних клітин, інфікованих фагом, так як цілісні клітини виявилися дуже товстими для проглядання внутрішніх структур, в тому числі і фагів, в електронний мікроскоп. В тонких ультрасрезах було знайдено, що спочатку в різних ділянках протоплазми клітини йде освіту нуклеїнової кислоти, білкової головки і відростків. Потім, так би мовити, деталі в кінці фази об'єднуються і утворюються зрілі фаги.
Клітини бактерій, кілька збільшилися від сформованих всередині їх фагів, раптово вибухають і викидають в навколишнє середовище до декількох сотень молодих фагів. Повний цикл від адсорбції до виходу потомства фага з клітки займає у різних видів фагів неоднакове час - від 13 хвилин до 2 годин.
Вивільнені з бактерійної клітини молоді фаги відразу починають впроваджуватися в інші клітини бактерій. Такий процес відбувається при сприятливих умовах, наприклад, в пробірці з чутливою культурою бактерій, до тих пір поки не будуть лизировать все мікробні клітини бактерій, поки не настане стаціонарна фаза розвитку культури.
За допомогою методу мічених атомів встановлено, що частинки потомства фага складаються з матеріалу батьківського фага, бактерійної клітини і живильного середовища, на якій росла бактерійних клітина. Так, в фагових частинках потомства міститься 35% фосфору від батьківського фага, азоту - 80% з живильного середовища і 20% з бактерійної клітини.
Не завжди остання фаза закінчується руйнуванням бактерійної клітини фагом. При взаємодії фага і клітини можна спостерігати найрізноманітніші зміни клітини бактерії, що не приводять її до загибелі. Відбувається зміна морфології, вірулентності, біохімічних властивостей, придбання фагоустойчівості і ін. Фаги легко змінюються під впливом зовнішніх умов. Можуть змінюватися їх морфологічні, антигенні властивості: форма бляшок на твердих середовищах, адаптування до інших типів і видів бактерій. Фаг легко піддається мутаційної мінливості.
Але існує ще інший, особливий тип взаємин фага з клітиною. Як патогенні мікроби можуть іноді викликати не тільки різної тяжкості захворювання, а й приховане, латентне перебіг захворювання, так і фаги, які не викликають загибелі клітин, довгий час існують в них в латентному (прихованому) стані. Такі фаги називаються помірними або неінфекційними. Взаємодія помірного фага з мікробної клітиною виражається в лизогенизации бактеріальної культури. У лізогенних культурах спостерігається своєрідний симбіоз бактеріальної клітини з фагом, при якому можливе збереження і бактеріальної клітини, і фага. Фаг не перешкоджає обмінним реакцій і розмноження бактеріальних клітин в культурі. При поділі бактеріальної клітини фаг також переходить в обидві нові клітини. Все це відбувається в численних поколіннях. Фаг в них найтіснішим чином пов'язаний з кліткою, але знаходиться в неактивному, неінфекційному стані. Такий фаг А. Львова назвав профагом. Він не виявляється навіть за допомогою електронного мікроскопа.
Оскільки в бактеріальну клітину проникає тільки в основному фагів ДНК, то очевидно, що помірний фаг знаходиться в клітці у вигляді фаговой ДНК, яка пов'язана з ядерним апаратом клітини - хромосомою, будучи як би її субодиницею.
Зовні бактеріальна культура - прихований носій профага - нічим не відрізняється від нормальної, зараженої фагом культури. Але якщо цю Лізогенія культуру профільтрувати і фільтрат її додати до нелізогенной чутливій культурі, то остання буде лізуватись. Виявилося, що в одиничних клітинах лізогенной культури, в одній з тисячі або десятки тисяч клітин, все ж відбувається постійне перетворення профага в зрілий фаг. Тому не відбувається помітного зовнішнього зміни лізогенной культури в нормальних умовах.
Профаг має свою генетичну інформацію, необхідну для синтезу повноцінних частинок даного виду фага. Це властивість профага проявляється, як тільки бактерії потрапляють в несприятливі умови. Було знайдено, що під впливом так званих індукують факторів - ультрафіолетового або рентгенівського опромінення або дії хімічних речовин - відбувається масове перетворення профага в активний фаг і клітини лізуються таким же чином, як і від впливу інфекційного фага. Мабуть, що індукують чинники порушують зв'язок між генетичним апаратом бактерії і профагом, а також активують профаг.
Лізогенія широко поширена в природі. У стафілококів, черевнотифозних бактерій і у багатьох інших майже кожен штам є лізогенним. Більшість свежевиделенних культур від тварин, рослин і з грунту є вже Лізогенія.
Латентні, приховані, вірусні інфекції зустрічаються не тільки у бактерій, а й у рослин, тварин і людини. Мабуть, безсимптомні вірусні інфекції зустрічаються в природі частіше, ніж явні. Всі без винятку рослини картоплі сорту Король Едуард заражені латентним вірусом, який не викликає ніяких ознак захворювання цього сорту картоплі, але викликає різко що виявляється захворювання у інших сортів. Поліедроза - вірусне захворювання шовкопрядів - зовні може не проявлятися протягом усього життя хробака, але при зміні зовнішнього середовища, температури, харчування та ін. Легко виявляється з виділенням зрілої форми вірусу. Вірусом герпесу людина заражається ще в ранньому дитинстві. Але він проявляє себе тільки після охолодження або після перенесення захворювань на грип та ін. У вигляді всім відомих пухирчастих висипань близько губ і крил носа, що містять прозору рідину з вірусом.
Досягнення в області вірусології виявляють багато подібного між вірусами і особливо фагами, з одного боку, і опухолеродного вірусами - з іншого. До сих пір ще немає певних даних про причини виникнення раку. За хімічною теорії рак викликається так званими канцерогенними речовинами - головним чином продуктами неповного згоряння горючих речовин (кам'яного вугілля, нафти, сланців, диму, тютюну та ін.). Останнім часом все більш широке визнання отримує вірусна теорія. Є більше 30 пухлин людини і тварин, які викликаються вірусами (саркома курей, папілома кроликів і ін.), І число таких пухлин весь час збільшується (поліоми мишей, лейкози птахів, мишей і ін.). Опухолеродниє віруси не руйнують клітини, а перетворюють їх на пухлинні клітини, характерною особливістю яких є безмежне розмноження.
Для перемоги над раком треба розкрити основний механізм перетворення нормальної клітини в злоякісну пухлинну. Цей механізм пов'язаний з порушенням синтезу білка, а отже, зі змінами в будові і функції нуклеїнової кислоти.
Фаг лізогенних культур може надавати великий вплив на біологію бактерій, визначати їх властивості. Так, виявлено, що деякі фаги, виділені з токсигенних лізогенних дифтерійних культур, при впровадженні в нетоксігенние дифтерійні палички перетворюють їх в токсигенні, т. Е. Що виробляють дифтерійний токсин, що викликає дифтерію людини (лізогенна конверсія). І це нова властивість вже передається у спадок. Фаги деяких джгутикових бактерій можуть викликати у нерухомих бактерій освіту джгутиків. Це явище називається трансдукцией.
Практичне значення фага
Фаг виявився дуже корисним вірусом для лікування і профілактики багатьох інфекційних захворювань людини і тварин, що викликаються бактеріями. Після робіт д'Ерреля фаг став широко застосовуватися для цих цілей. Хороші результати були отримані при лікуванні гнійних поранень, газової гангрени та інших захворювань під час Великої Вітчизняної війни. Але потім з появою антибіотиків застосування фага скоротилося, так як лікування антибіотиками виявилося більш ефективним і дія їх не має такої вузької специфічності.
За допомогою заздалегідь відомого фага, завжди наявного в лабораторії, визначають вид культури бактерій, виділеної від хворого або з зовнішнього середовища, що дуже важливо для діагностики. Крім того, визначенням виділених культур за допомогою вузьких типових фагів можна встановити джерело інфекційних захворювань, що важливо для прийняття протиепідемічних заходів. Наявність фага кишкової палички і тим більше фагів збудників кишкових інфекцій у питній воді сигналізує про неблагополуччя санітарно-епідеміологічного стану вододжерел, бактеріальному їх забрудненні.
Але фаги нерідко завдають великої шкоди в виробництвах, заснованих на життєдіяльності мікробів - бактерій або актиноміцетів, а саме: в сирному виробництві, у виробництві антибіотиків, вакцин, бактеріальних добрив.
На цих виробництвах па обладнанні, у зовнішньому середовищі, в заводських приміщеннях, в сировину завжди у величезній кількості є відповідні мікроби.
Якщо виробничі культури, наприклад, молочний стрептокок у виробництві сиру або променистий гриб у виробництві стрептоміцину, будуть заражені відповідним фагом, то виробництво сиру або антибіотика не зможе йти нормально. Поразка фагом виробничих культур веде до ослаблення виробничого процесу аж до повної його зупинки.
Боротьба з фагом в цих випадках буває дуже важкою. Необхідно ретельне знезаражування всього процесу виробництва. Виробничі культури весь час повинні перевірятися на відсутність в них відповідного фага. Необхідно користуватися фагоустойчівимі культурами.
У грунті бульбочкові бактерії і азотобактер можуть бути заражені фагами. Значна концентрація цих фагів в грунті затримує розвиток бульбочок на коренях бобових рослин і азотобактера в грунті, що в деяких випадках впливає на врожай.