Бактеріофаги

Реферат на тему:

Бактеріофаги Зміст.

1. 1.Бактеріофаги.

2. 2.Хімічний склад фагів.

3. 3.Антигенні властивості фагів.

4. 4.Взаємодія фагів з бактеріями.

5. 5.Практичне застосування бактеріофагів.

Бактеріофаги Терміни «бактеріофаги» і «бактеріофагія» стали загальновизнаними. Поряд з ними в літературі широко застосовується зручний термін «фаг», на позначення і бактеріофагів, що вражають бактерій, і для відкритих дещо пізніше актинофагів (які вражають актиноміцети), альгофагів (що вражають деякі водорості).

Морфологія фагів. Припущення, що бактеріофаги мають корпускулярну природу, було висунуто ще Ф. д'Ерелєм. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про морфологію та основні особливості фагів грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи — ТІ, Т2,…, Т7, які розмножуються на Е. соlі штаму В. Однак з кожним роком з’являлися нові дані щодо морфології і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їхньої морфологічної класифікації.

Детальні електронно-мікроскопічні дослідження, в поєднанні з деякими фізико-хімічними методами вивчення фагів Т-групи, показали, що кожен фаг складається з різних морфологічних елементів.

Основні частини найкраще вивчених булавоподібних фагів становлять головка з білковою оболонкою — капсидом і відросток. Субодиниці капсиду називають капсомерами. Структурні елементи складних відростків дістали назву зовнішнього чохла, внутрішнього стрижня і базальної пластинки, відростка з зубцями і нитками.

Рис 1. Структура бактеріофага Т2:

А — електронна фотографія фага Т2, Б — схема структури: 1 — білкові субодиниці капсиду- 2 — головка фага- 3 — ДНК- 4 — відросток- 5 — футляр, 6 — стрижень- ?- пластинка з шістьма зубцями, 8 — нитки виростка А. С. Тихоненко (1972) поділяє фаги з огляду на ускладнення їхньої структури (що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п’ять основних груп. (рис. 2).

До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують віріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700−850 нм), які складаються з трубкоподібного капсиду зі спіральним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.

Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної форми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві підгрупи. Фаги першої підгрупи (S13, 74 та ін.) мають одноланцюгову ДНК, а фаги другої підгрупи — f2, fr, MS2, R17, М12 — РНК.

До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актиноміцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка виділяють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm. typhimurium) — короткий відросток з базальною пластинкою.

До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відростком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, а інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.

Рис. 2. Схематичне зображення представників різних груп фагів.

(за А. С. Тихоненком, 1968).

П’яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чохла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені (фаг Т2 та інші Т-парні фаги, рис. 3).

Хімічний склад фагів. Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простийпо суті фаги є нуклеопротеїдами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутрішній білок (3−7% загального вмісту білка). У фагів виявлено ферменти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нуклеаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клітиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо.

Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кислоти. У фагів, як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага.

Рис. 3. Днк, яка звільнилася з головки фага Т2 під дією осмотичного шоку У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5−10,5%), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу.

Антигенні властивості фагів. Бактеріофаги володіють антигенними властивостями. При багаторазовому парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки називають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з відповідними фагами звичайні серологічні реакції - аглютинації, преципітації, зв’язування комплемента, а також спричинюють нейтралізацію літичної активності фагів. Антифагові сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при серологічній класифікації фагів.

Взаємодія фагів з бактеріями. Застосування електронної мікроскопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами. В цьому процесі розрізняють два типи взаємодії - літичний і лізогенний. Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої клітини і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.

Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин- 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину- 3) латентний період (екліпс) внутрішньоклітинного розвитку фага- 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів.

Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів — адсорбцію. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна пластинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах — специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв’язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.

Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спостерігати в електронний мікроскоп (рис. 4). Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.

Рис. 4. Електронна фотографія частково лізованої клітини Escherichia coli, до поверхні якої прикріпилися вібріони фага Т4.

(за С. Лурія і Дж. Дарнеллом, 1970).

Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермен-та типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбувається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі детально не з’ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фаго-чутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фагами, в яких відростки не скорочуються.

З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною — латентний (прихований) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15−40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інформації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бактеріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових частинок фага.

На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини.

Дещо пізніше в клітині починається синтез «пізніх» білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: головок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага відповідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох десятків до кількох сотень фагових частинок.

Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з’являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на субклітинному молекулярному рівні.

Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.

Водночас із формуванням дозрілих віріонів у бактеріальній клітині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінкиз їхньою допомогою здійснюється четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною — лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів назовні (рис. 5).

Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними є й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нормально розмножується і стає носіями відповідних помірних або симбіотичних фагів. Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізогенії.

Докладне вивчення показало, що існують псевдолізоген-ні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Переважна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тільки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні - це теорія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його.

Рис. 79 Схема циклу розмноження бактеріофага Т2:

1 — фаги оточили бактерію, 2 — вірюн фага прикріплюється до клітини, 3 — в клітину впорскується вірусна ДНК, 4 — капсид фага залишається ззовні бактерії, 5 — синтезуються нові молекули ДНК, 6 — утворюються білкові оболонки фагів, 7 — відбувається збирання нових вірюнів, Sбактерія руйнується (лізується), І вірюни фага виходять назовні .

Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізогенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної клітини, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізогенній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.

Важливою властивістю лізогенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв’язку з цим вивчення помірних фагів лізогенної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізогенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.

Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифтерійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пеніцилу тощо.

Профаг лізогенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в результаті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмножуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактерюцинів є дефектними фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.

Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенії, а й щодо з’ясування ролі профагів як додаткових генетичних факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізоген-ній клітині, дістали назву лізогенних конверсій. Слід зазначити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біології ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.

Практичне застосування бактеріофагів. Уперше різні фаги застосували Ф. д’Ерель та інші дослідники, вивчаючи кишкові Інфекції у людини. Практикувалось використання фагів також у хірургічній та акушерсько-гінекологічній практиці при Інфекційних процесах, які спричинюються стафілококами, анаеробними клостридіями, а також в офтальмології і стоматології. Поряд з цим нагромадилось багато даних про відсутність лікувального ефекту при застосуванні фагів. Вважають, що основною причиною цього є невдалий підбір фагів. Широке впровадження в практику сульфаніламідних препаратів і антибіотиків також зменшило інтерес до питань фагопрофілактики і фаготерапії бактеріальних інфекцій.

Фагопрофілактика і фаготерапія застосовуються і при різних захворюваннях тварин. При паратифі телят використовують гертнер-фаг, при захворюванні поросят — суйпестифер-фаг, при колібактеріозі - коліфаг та інші.

Бактеріофаги черевнотифозної сальмонели, кишкової палички та інших бактерій можуть міститися у воді річок, ставків, водосховищ, колодязів і в забруднених стічних водах. Виявлення фагів у воді або в ґрунті може бути показником забруднення цих середовищ відповідними бактеріями. Наприклад, виявлення коліфага є показником фекального забруднення води.

Поряд з цим слід зазначити, що фаги нерідко можуть завдавати й великої шкоди, зокрема при виробництві антибіотиків, молочнокислих продуктів, бактеріальних добрив, гальмуючи розвиток корисних мікробів. Зараження фагами бульбочкових бактерій, азотобактера та інших азотфіксаторів призводить до затримки їхнього розвитку, а це погіршує процес фіксації молекулярного азоту, а отже, негативно впливає на врожай.