Бактериофаги. Классификация. Взаимодействие с клеткой вирулентных фагов

Фаги представляют собой мельчайшие частички, или корпускулы, состоящие из головки и хвоста (отростка), по форме напоминающие сперматозоид. У некоторых фагов отросток очень короткий или совсем отсутствует. Размеры фагов варьируют от 20 до 200 нм: диаметр головки достигает обычно 60—95 нм, длина отростка 250 нм, ширина 10—25 нм. Как и вирусы, фаги имеют наружную белковую оболочку и заключенную в головке нуклеиновую кислоту. У большинства фагов это двунитчатая ДНК, Однако обнаружены фаги, имеющие однонитчатую

ДНК и даже РНК. Размеры молекулы ДНК во много раз превышают величину самого фага.

Наиболее изучены фаги кишечной палочки, имеющие сложное строение. Они состоят из головки, имеющей вид многогранника (кубический тип симметрии), и отростка — полой жесткой трубки, окруженной чехлом с капсомерами спирального типа укладки. На конце отростка имеется базальная пластинка с отходящими от нее нитями. По химическому составу частицы бактериофага являются нуклеопротеидами и состоят на 50— 60% из белка и на 40—50% ДНК.

Фаги обладают специфичностью, которая заключается в их способности размножаться и вызывать лизис только бактерий определенного вида или типа. Различают моновалентные фаги, которые лизируют культуру бактерий определенного вида, и типовые фаги, лизирующие отдельные штаммы или варианты внутри одного и того же вида. Существуют и полифаги, которые могут вызывать лизис клеток родственных видов бактерий. Свойства специфичности фагов используют при лабораторной диагностике инфекционных заболеваний.

Фаговые частицы, размножаясь в бактериальных клетках, засеянных сплошным газоном по поверхности плотных питательных сред, лизируют их и образуют «стерильные пятна». Такие пятна называют негативными колониями фага. У разных фагов они имеют строго определенную форму на микробном газоне: правильно округлую, звездчатую (дизентерийный фаг). Негативные колонии фага могут быть полностью прозрачны или состоят из прозрачного центра и мутной периферической зоны. При добавлении фага к жидким питательным средам, где культивируются чувствительные к нему бактерии, среда, бывшая до того мутной, просветляется.

Устойчивость фага к внешним воздействиям достаточно велика. Он устойчив к обычно используемым концентрациям дезинфицирующих веществ: 1—2% раствору фенола, 0,5% раствору сулемы, 1,5% раствору лизола. Отмечено даже привыкание фага к азотной и серной кислотам. Он выдерживает нагревание до 70—75°С. Тем не менее образование фага задерживают цитраты и оксалаты, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. Угнетающе действуют на фаг стрептомицин и полисахариды— гликоген и крахмал. В организме фаг сохраняется 10—13 дней.

Происхождение и природа фага до сих пор остаются неясными. Живую природу фага доказывают его способность к размножению за счет бактерии-хозяина, приобретение устойчивости к воздействию внешних факторов, способность изменяться и давать продукцию энзимов (ферменты). О происхождении фагов имеются два мнения:

1) фаг является экзогенным паразитом бактерий, существующим за счет перехода от одних бактерий к другим (болезнь бактерий);

2) фаг имеет эндогенное происхождение из бактерий и представляет собой одну из форм их развития. Предложена и компромиссная точка зрения: фаги произошли из фильтрующихся форм бактерий — эндогенно, но после обособления стали паразитами бактерий.

Фаги могут существовать в двух формах:

1) внутриклеточной (это профаг, чистая ДНК);

2) внеклеточной (это вирион).

По признаку специфичности выделяют:

1) поливалентные фаги (лизируют культуры одного семейства или рода бактерий);

2) моновалентные (лизируют культуры только одного вида бактерий);

3) типовые (способны вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры внутри вида бактерий).

 

При встрече фага и чувствительных к нему бактерий наблюдается несколько последовательных стадий, в результате которых происходит разрушение бактерий или их лизис.

Адсорбция фага заключается в фиксации корпускул фага на специальных фаговых рецепторах, расположенных на клеточной стенке бактерий.

После того как отросток фага прикрепился к специфическому рецептору клетки своими нитями, жесткая трубка цилиндра прокалывает клеточную стенку бактерии. В цитоплазматической мембране клетки образуется отверстие под действием фермента отростка, сходного с лизоцимом. Через это отверстие ДНК, содержащаяся в головке фага, впрыскивается через канал отростка в цитоплазму бактерии. Пустая оболочка фага в виде «тени» остается снаружи клетки. Количество фаговых частиц, которые могут быть адсорбированы бактериальной клеткой обусловлено площадью ее адсорбционной поверхности и величиной фага. Например, 1/3 поверхности бактерии размером 1*3 мкм может адсорбировать 300 частиц фага величиной около 100 нм.

Латентный период наступает после проникновения ДНК фага в цитоплазму бактерии. Длительность этого периода зависит от системы фаг — хозяин. Так, для кишечной палочки и ее бактериофага Т2 он составляет 12 мин. В этот период фаг находится в скрытом, латентном состоянии, и, если даже разрушить клетку, то ДНК фага обнаружить невозможно.

Период образования нового фага представляет собой очень сложный процесс, во время которого фаговая ДНК с невероятной быстротой «захватывает власть» в бактериальной клетке, подавляя ее синтезирующие механизмы. ДНК фага принимает на себя генетическое управление жизнедеятельностью бактерий, которые в своих рибосомах начинают синтезировать белки фага и фаговые оболочки. По матрице ДНК фага реплицируются, создаются ее молекулы. В конце латентного периода фаговые ДНК и белковые оболочки соединяются в цитоплазме бактерии и образуют зрелые частицы фага.

Лизис клетки наступает приблизительно через 30 мин после прикрепления фага к поверхности бактерии. Полагают, что лизис вызывается или зависит от образования специального литического фермента, сходного с лизоцимом. Образовавшиеся корпускулы фага освобождаются и начинают новый цикл развития в других бактериальных клетках. Число вирусных частиц, образующихся в каждой инфицированной бактериальной клетке, примерно постоянно для определенной системы фаг — бактерия: от 20 до 200 и более. Это число называют выходом фага. Фаги, вызывающие лизис бактериальных клеток, называют вирулентными. В отличие от них существуют фаги, которые, проникая в бактерии, не разрушают их, а длительно в латентном состоянии присутствуют в них, размножаясь вместе с бактериальной клеткой. Такие фаги называют умеренными.