Бактериофаги – вирусы бактерий, широко распространен­ные в природе, выделяют из воды, почвы, сточных вод, клинического материала от больных (гной, фекалии и др.). Бактериофаги найдены почти у всех видов бактерий. Их активность при определенных условиях проявляется в виде лизиса (разрушения) своих хозяев.

Бактериофаги обладают специфичностью действия в отно­шении своих хозяев – бактериальных клеток, так как не могут инфицировать более сложные организмы из-за кардинальных различий в коде внутримолекулярных механизмов и различий в строении клеточных оболочек.

Становление бактериофагии как отдельного направления вирусологии уходит своими корнями еще в XIX в. В 1896 г. Э. Хавкин обнаружил антимикробную активность водных об­разцов из рек Индии. Эти препараты, предварительно пропу­щенные через бактериальные фильтры, ингибировали рост культуры холерного вибриона. В 1898 г. Н.Ф. Гамалея и соавт. наблюдали растворение культуры возбудителя сибирской язвы под действием фильтрата этого микроорганизма и назвали его (фильтрат) бактериолизином. В 1915 г. Эдвард Творт описал агент, проходящий через бактериальный фильтр и вызываю­щий лизис стафилококковых бактерий, а в 1917 г. независимо от него Феликс Д’Эррель – феномен литического действия фильтрата испражнений переболевшего дизентерией, что вы­разилось в просветлении бульонной культуры и образовании "стерильных пятен" на агаровой культуре возбудителя. Он на­звал это явление бактериофагией, а литический агент, способ­ный размножаться на гомологичных бактериях, – бактериофа­гом (от лат. phagos – пожирающий бактерии). В книге "Бак­териофаги" (1922) Д'Эррель рассмотрел природу фага, методы его выделения. Вся его дальнейшая деятельность была посвя­щена изучению бактериофагов, их использованию в лечении инфекционных заболеваний. В настоящее время бактериофаги применяют в медицине для диагностики, лечения и профилак­тики инфекционных заболеваний.

Неоценима роль бактериофагов в качестве моделей гене­тических и биохимических исследований, начатых в 30-е годы прошлого столетия. За несколько десятилетий изучения систем фаг–клетка были сформулированы основные принципы со­временной молекулярной биологии.

Химический состав. Основными компонентами бактериофа­гов являются белки (50–60 %) и нуклеиновые кислоты (40– 50 %), представленные либо ДНК, либо РНК. Следует отме­тить, что в состав бактериальных вирусов могут входить как одноцепочечные, так и двухцепочечные ДНК и РНК. Некото­рые фаги содержат липиды и другие минорные компоненты (гликопротеины, низкомолекулярные сахара, полисахариды, полиамины).

Морфология бактериофагов. С момента открытия явления бактериофагии вопрос о структурной организации бактериаль­ных вирусов долгое время оставался открытым. Интенсивное развитие этого направления началось после внедрения электрон­ной микроскопии в практику вирусологических исследований.

В 1943 г. Руска опубликовал первые электронные микрофо­тографии нескольких бактериофагов, в дальнейшем были усо­вершенствованы методики приготовления вирусных препа­ратов и их контрастирования для изучения под электронными микроскопами, которые в свою очередь модернизировались год от года. К настоящему времени известно несколь­ко сотен публикаций, где представлены данные о морфологии различных фагов. Обобщение этих ре­зультатов позволило все известные бактериальные вирусы разделить на так называемые морфотипы (рис. 11.1). Эта классифи­кационная схема учитыва­ет как строение фаговой частицы, так и особенности ее химического состава.

Рис. 11.1. Морфотипы бакте­риальных вирусов (приведено с дополнениями из работы: Re-anney D.C., Ackermann H.W. // Adv. Vir. Res. - 1982. - Vol. 27. - P. 205).

Рис. 11.2. Бактериофаги различ­ных морфотипов.

а – фаг Т6 E.coli; б – фаг STPZ S.pyo­genes; в – фаг РР-33 B.malley; г – фаг О4 Ps. aeruginosa; д – фаг О3 Ps. aeru­ginosa;

е – фаг FP-1 Y.pestis; ж – фаг MS-2, адсорбированный на фрагменте фимбрии E.coli.

Контрастирование 1 % раствором ура-нилацетата. х 200 000.

На рис. 11.2 представлены элек­тронные микрофотографии бак­териальных вирусов различ­ных морфотипов. Бактериофа­ги одного морфотипа могут значительно отличаться друг от друга по строению отдель­ных дискретных структурных элементов, например сложноустроенные фаги с сокращаю­щимися хвостовыми отрост­ками. На рис. 11.3 дана схе­ма строения фага Т2. На электронной микрофотографии (рис. 11.4) можно видеть не­сколько структурных компонен­тов хвостового отростка бакте­риального вируса Т2: чехол, стержень, базальную пластин­ку и хвостовые фибриллы.

Резистентность фагов к инактивирующим агентам. Большин­ство известных бактериальных вирусов сохраняют активность при рН от 3 до 9, выдерживают давление в несколько тысяч атмосфер и могут длительно (3–5 лет) храниться в лиофилизи-рованном состоянии. Вместе с тем фаги инактивируются при 60 °С в течение 30–60 мин. Облучение ультрафиолетовыми лучами приводит к быстрой гибели бактериофагов.

Все бактериальные вирусы резистентны к протеолитическим ферментам и нуклеазам. Бактериофаги, не содержащие липидов, устойчивы к хлороформу. Ферментные яды (азид натрия, динитрофенол, флорид) не инактивируют фаги. Эти агенты иногда добавляют к фаговым препаратам для предот­вращения их контаминации бактериями и грибами.

Специфичность взаимодействия фагов с бактериями. Для бак­териофагов характерна строгая специфичность, что может выражаться в способности лизировать бактерии только одного вида – видовая специфичность, либо внутри вида – типовая специфичность.

Рис. 11.3. Строение фага Т2 Е.соlі.

1 – головка; 2 – ДНК; 3 – стер­жень; 4 – чехол;

5 – базальная пластина; 6 – шипы; 7 – хвосто­вые фибриллы.

Рис. 11.4. Бактериофаг Т2 Е.соlі и структурные элементы его хвостового отростка. Контрастирование 1 % раствором уранилацетата. × 250 000.

Если фаги лизируют бактерии близких видов, входящих в один род, например в род Shigella (возбудители дизентерии), то их называют поливалентными.

По конечному результату взаимодействия с клеткой все фаги можно разделить на вирулентные и умеренные.

Инфицирование чувствительных бактериальных клеток ак­тивными фаговыми частицами называют фаговой инфекцией, которая состоит из следующих этапов (на примере Т-четного фага Е.соН, рис. 11.5):

Рис. 11.5. Взаимодействие фага с фагочувствительной бактериальной клеткой.

1 – стадия адсорбции; 2 – стадия инъекции ДНК; 3 – стадия репродукции; 4 – вегетативная стадия; 5 – стадия лизиса бактериальной клетки и выхода зрелых фаговых частиц.

• стадия адсорбции – при наличии соответствующих рецеп­торов на поверхности бактериальной клетки (фагочувствительный штамм) фаг фиксируется с помощью нитей отрост­ка. На микрофотографиях (рис. 11.6) показана адсорбция бактериальных вирусов на бактериях-хозяевах;
• стадия инъекции фаговой нуклеиновой кислоты внутрь бак­терии – шипы базальной пластинки примыкают к бактери­альной клетке, с ферментами отростка нарушается ее це­лостность, чехол стержня сокращается, и через канал стерж­ня нуклеиновая кислота фага впрыскивается внутрь клетки. Пустая белковая оболочка остается снаружи;
• затем следует стадия репродукции нуклеиновой кислоты и белков фага за счет внутренних структур бактерии;
• нуклеиновая кислота фага перепрограммирует обмен ве­ществ бактерии на репродукцию фаговых частиц (вегетатив­ный фаг) – вегетативная стадия;
• последним этапом фаговой инфекции является стадия ли­зиса клетки и выхода зрелых фаговых частиц, готовых к новому заражению. Их количество варьирует от нескольких частиц до нескольких сотен в зависимости от вида фага. Далее этот литический процесс, характерный для вирулентных фагов, повторяется с новыми, повторяется

с новыми и новыми бактериальными клетками. Визуально в жидкой питательной среде это про­является в виде просветления бульонной культуры вплоть до полной прозрачности, на плотной питательной среде – в виде прозрачных пятен – фаговых колоний, которые мо­гут сливаться в зону сплошного лизиса (рис. 11.7).

Рис. 11.6. Адсорбция фаговых частиц на поверхности клеток.

а – фаги Fp-1 на клетке Y. pestis.× 30 000; б – фаги FP-2 на поверхности клетки возбудителя чумы, × 90 000; в – взаимодействие фагов О4 с клеткой Ps. aeruginosa, × 70 000; г – адсорбция фага MTPN-2 на поверхности клетки возбудителя туберкулеза, × 60 000.

Контрастирование 1 % раствором уранилацетата.

Умеренные фаги, инфицируя бактериальную клетку, встра­ивают свою нуклеиновую кислоту в генетический материал бактерии, репродуцируясь синхронно с ним в процессе деления клетки. В результате новые бактериальные клетки несут в себе неактивную форму фага – профаг, такое состояние бактерии называют лизогенным. Лизогенные бактериальные штаммы ус­тойчивы к повторному заражению этим фагом. При воздейст­вии на лизогенные штаммы УФ-излучением и некоторыми химическими веществами профаг может перейти в вирулент­ную форму и лизировать бактериальную клетку.

Рис. 11.7. Фаголизис бактериального штамма на плотной питательной среде.

Лизогенизация часто сопровождается изменением свойств бактерии. Пример – переход нетоксигенного штамма возбуди теля дифтерии в токсигенный. Следует отметить, что этот феномен наблюдали только в экспериментальных условиях, но не в природе. Изменение характеристик бактериального штам­ма под влиянием профага называют фаговой конверсией.

На практике это может играть негативную роль, например на микробиологических производствах при лизогенности штаммов – продуцентов вакцин, антибиотиков; при производ­стве препаратов нормофлоры; в молочной промышленности – при производстве кисломолочных продуктов и сыров.