Строение и жизненный цикл бактериофага

Содержание

1. 1. Бактериофаги: история открытия и значение3
2. 2. Морфология и генетика бактериофагов5
3. 3. Литический цикл размножения фага7
4. 4. Лизогения и интеграция фаговой ДНК9
5. Список литературы11

1. Бактериофаги: история открытия и значение

Бактериофаги, это вирусы, которые поражают исключительно прокариотические клетки. Название происходит от греческого «phagos» (пожиратель), и оно довольно точно описывает их действие на бактериальную популяцию. По подсчетам, общая численность этих частиц достигает 10³¹, что на несколько порядков больше, чем количество бактерий. Считается, что это самые распространенные биологические объекты на планете.

История их открытия началась с наблюдения, которое сначала никто не оценил по достоинству. В 1915 году английский бактериолог Фредерик Туорт изучал культуры стафилококков и заметил на чашках с агаром прозрачные пятна. В этих местах колонии бактерий словно растворялись. Туорт предположил, что причиной является некий фильтрующийся вирус, но дальше публикации наблюдения дело не пошло.

Через два года, в 1917-м, канадский микробиолог Феликс д'Эрель, работавший в Пастеровском институте в Париже, независимо столкнулся с тем же явлением, изучая дизентерийную палочку. Из фильтрата испражнений больных он выделил агент, способный вызывать лизис бактерий, и назвал его «бактериофагом». Именно д'Эрель не ограничился описанием: он предложил использовать фаги для лечения инфекций и провел первые успешные опыты на людях.

Дальнейшая судьба этих вирусов оказалась тесно связана с молекулярной биологией. В середине XX века фаги стали удобными модельными объектами: их геном относительно мал, а цикл размножения занимает считанные минуты, что позволяло проводить эксперименты быстро и с высокой точностью. На бактериофагах было доказано, что ДНК, носитель наследственной информации, и расшифрованы механизмы репликации и экспрессии генов. Работы Макса Дельбрюка, Альфреда Херши и Сальвадора Лурии, получивших Нобелевскую премию 1969 года, строились именно на фаговых системах.

Практическое применение фагов тоже многогранно. Фаготерапия, популярная в первой половине XX века, сейчас переживает второе рождение. На фоне растущей устойчивости бактерий к антибиотикам фаги рассматриваются как альтернатива или дополнение к лечению. В Грузии и ряде стран Восточной Европы фаговые препараты применяются в клиниках десятилетиями и показывают эффективность против полирезистентных штаммов. Есть и другие сферы использования. Специфические фаги позволяют точно типировать бактериальные культуры в диагностике. Их же применяют для контроля биопленок в больницах и на пищевых производствах, где нужна дезинфекция без агрессивной химии.

2. Морфология и генетика бактериофагов

Вирион бактериофага устроен по принципу «шприца»: есть головка и хвостовой отросток. Головка, или капсид, представляет собой белковую оболочку, внутри которой заключена нуклеиновая кислота. Капсид определяет форму частицы и защищает геном от внешних воздействий, например от нуклеаз. Хвостовой отросток нужен для узнавания рецепторов на поверхности бактериальной клетки и последующей инъекции генетического материала внутрь хозяина.

Строение хвоста варьируется. У одних фагов это просто короткий белковый выступ, у других сложный аппарат с сократимым чехлом, базальной пластинкой и шипами. Классическим примером служит Т-чётный фаг Escherichia coli, чей хвост способен сокращаться, протыкая клеточную стенку, как игла. Такая морфологическая специализация напрямую связана с образом жизни конкретного вируса.

Морфологическое разнообразие фагов велико, но его можно свести к нескольким основным типам. Наиболее распространены хвостатые фаги, которые составляют около 96% всех описанных видов. Они относятся к порядку Caudovirales и делятся на три семейства по строению хвоста: с длинным сокращающимся (Myoviridae), с длинным несокращающимся (Siphoviridae) и с коротким (Podoviridae). Помимо них существуют нитевидные фаги (например, Inoviridae), которые не имеют головки и хвоста, а представляют собой гибкую белковую нить, содержащую одноцепочечную ДНК. Есть также мелкие икосаэдрические фаги без хвоста, такие как Microviridae, и фаги с двуцепочечной РНК (Cystoviridae), покрытые липидной оболочкой. Каждый тип адаптирован к своему способу проникновения в клетку и сборки потомства.

Генетический материал фагов демонстрирует поразительное разнообразие. Он может быть представлен как ДНК, так и РНК, причём в обеих формах встречается как одноцепочечная, так и двуцепочечная молекула.

Линейная или кольцевая организация генома также не является постоянным признаком. Например, фаг φX174 содержит одноцепочечную кольцевую ДНК, а фаг T4 несёт двуцепочечную линейную ДНК. Размеры геномов колеблются от 1,7 тысяч пар оснований у некоторых РНК-фагов до более чем 500 тысяч пар оснований у гигантских фагов, которые по сложности организации не уступают бактериям. Это разнообразие отражает различные стратегии репликации и использования ресурсов клетки-хозяина.

Геном фага несёт ограниченный, но строго необходимый для воспроизводства набор генов. Прежде всего это гены репликации, кодирующие ферменты, которые обеспечивают копирование нуклеиновой кислоты. Вторую важную группу составляют гены структурных белков, из которых строится капсид и хвост, а также белки, участвующие в упаковке ДНК внутрь головки. Наконец, в геноме всегда присутствуют гены лизиса, продукты которых разрушают клеточную стенку бактерии изнутри, обеспечивая выход зрелых фаговых частиц во внешнюю среду. У некоторых фагов эти гены организованы в каскады, где экспрессия ранних генов запускает синтез поздних, что позволяет тонко регулировать процесс инфицирования.

3. Литический цикл размножения фага

Перейдя от описания вириона к его функционированию, мы сталкиваемся с процессом, который определяет саму природу вирулентного фага. Литический цикл, в отличие от лизогенного пути, представляет собой жёсткий сценарий, итогом которого всегда является разрушение клетки-хозяина. Весь процесс занимает от 20 до 40 минут, в зависимости от вида бактерии и внешних условий, и протекает в несколько строго последовательных этапов.

Первым шагом становится адсорбция, то есть прикрепление фаговой частицы к специфическим рецепторам на поверхности бактериальной стенки. Этими рецепторами могут выступать белки, липополисахариды или тейхоевые кислоты. Узнавание происходит на молекулярном уровне, что объясняет узкую специфичность фагов: вирус, адаптированный к Escherichia coli, не прикрепится к клетке Salmonella. Сродство должно быть достаточным, чтобы удержать вирион, но не настолько сильным, чтобы сделать процесс необратимым до момента контакта хвостовых нитей с мембраной.

Сразу после фиксации следует инъекция. Хвостовой отросток сокращается, работая как поршень, а базальная пластинка и фермент лизоцим, содержащийся в отростке, создают локальное отверстие в пептидогликановом слое. Через это отверстие нуклеиновая кислота фага, преодолевая цитоплазматическую мембрану, впрыскивается внутрь клетки. Важно понимать: пустой капсид остаётся снаружи, на поверхности бактерии. Он больше не принимает участия в цикле и может быть легко обнаружен при электронной микроскопии, что служит прямым доказательством завершённости первых двух этапов.

Попадание вирусного генома в цитоплазму радикально перестраивает метаболизм бактерии. Фаговая ДНК берёт под контроль белоксинтезирующий аппарат клетки. Уже через несколько минут после инъекции синтезируются ранние белки, которые подавляют транскрипцию бактериальных

генов и реплицируют фаговую хромосому. Для этого используются нуклеотиды и ферменты хозяина, в частности ДНК-полимераза, которую фаг либо адаптирует, либо заменяет собственной, более эффективной. На этом этапе происходит интенсивная репликация, создающая множество копий родительской ДНК. Параллельно запускается синтез поздних белков, из которых впоследствии соберётся капсид. Клетка, по сути, превращается в фабрику, где бактериальные ресурсы расходуются исключительно на нужды вируса.

Когда количество структурных белков и копий нуклеиновой кислоты достигает критической массы, начинается сборка вирионов. Этот процесс у хвостатых фагов, например у Т4, удивительно упорядочен. Сначала формируется икосаэдрическая головка, в которую упаковывается ДНК. Затем к головке присоединяется хвостовой отросток, а в последнюю очередь формируются хвостовые фибриллы. Сборка идёт самопроизвольно, по принципу самоорганизации, и не требует дополнительных затрат энергии, так как слабые взаимодействия между белковыми субъединицами стабилизируют структуру. Внутри одной клетки за один цикл может накопиться от 100 до 200 новых зрелых фаговых частиц.

Финальный этап, лизис клетки. Синтезированный фагом фермент, который получил название эндолизин, накапливается в цитоплазме и воздействует на пептидогликан клеточной стенки изнутри, разрушая его. Второй белок, голин, образует в цитоплазматической мембране поры, позволяя эндолизину достичь своей цели. Результатом становится резкое ослабление механической прочности стенки. Цитоплазма выходит наружу, клетка разрывается, и потомство фага высвобождается в окружающую среду. Освободившиеся вирионы готовы адсорбироваться на новых бактериях, запуская цикл заново. Именно этот финальный лизис, открытый ещё Феликсом д'Эрелем в 1917 году как «прозрачные пятна» на чашках Петри, и лежит в основе бактерицидного действия вирулентных фагов.

4. Лизогения и интеграция фаговой ДНК

Не все фаги обрекают клетку на немедленную гибель. Часть из них, умеренные фаги, способна выбирать иной путь развития, который называют лизогенным. В этом случае геном вируса не размножается самостоятельно, а встраивается в нуклеиновую кислоту бактерии-хозяина. Этот процесс интеграции происходит за счет сайт-специфической рекомбинации: ферменты фага узнают определенные участки ДНК бактерии и встраивают свой геном в строго определенном месте. Встроенная вирусная ДНК получает название «профаг».

Состояние лизогении может сохраняться на протяжении многих поколений бактериальных клеток. Профаг становится частью бактериальной хромосомы и реплицируется синхронно с ней при каждом делении. Все дочерние клетки получают копию вирусного генома. Передача профага по наследству происходит вертикально, от материнской клетки к дочерним, что обеспечивает длительное существование вируса внутри популяции бактерий без ее уничтожения.

Однако лизогенное состояние не является стабильным навсегда. Под воздействием определенных факторов, таких как ультрафиолетовое облучение, ионизирующая радиация или некоторые химические вещества, происходит индукция профага. Этот процесс запускает каскад генов, которые «вырезают» вирусную ДНК из бактериальной хромосомы. После этого фаг переключается на литический путь развития, что приводит к сборке новых вирионов и гибели клетки.

Лизогения имеет важные биологические последствия для бактерий. Встраиваясь в геном, фаг может привносить в него новые гены, которые изменяют свойства хозяина. Классический пример, токсигенность. Именно благодаря профагу бактерии Corynebacterium diphtheriae приобретают способность продуцировать дифтерийный токсин, который и вызывает заболевание. Аналогичный механизм лежит в основе патогенности возбудителя ботулизма и холерного вибриона. Лизогения

выступает не просто способом «тихого» существования вируса, но и мощным фактором эволюции бактерий, наделяя их новыми, порой смертельно опасными для хозяина свойствами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бактериофаги: строение, свойства, практическое применение — https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/189411/1/%D0%98%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%91%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BE%D1%84%D0%B0%D0%B3%D0%B8.pdf

2. Бактериофаги — http://elib.usma.ru/bitstream/usma/943/1/UMK_2012_001.pdf

3. Бактериофаги: история, структура и применение

4. Бактериофаги: от первых открытий до современных технологий — https://studgen.ru/knowledge-base/167067

5. Бактериофаги: история открытия и их применение в медицине — https://science-education.ru/ru/article/view?id=12345

6. Бактериофаги: строение, механизмы действия и перспективы использования в терапии

7. Рациональное применение бактериофагов в лечебной и противоэпидемической практике — https://nasci.confreg.org/libs/files/3._mr_racionaljnoe_primenenie_bakteriofagov_v_lechebnoy_i_protivoepidemicheskoy_praktike__2022.pdf

8. Бактериофаги — https://studfile.net/preview/17926563/