неділя, 5 березня 2017 р.

Бактеріофаги.Класифікація вірусів. Матеріал для учнів 10 класу.

 


Бактеріофаги


Структура типового міовіруса бактеріофага.
Бактеріофаги (фаги) (від др.-греч. φᾰγω - "Пожираю") - віруси, вибірково вражають бактеріальні клітини. Найчастіше бактеріофаги розмножуються всередині бактерій і викликають їх лізис. Як правило, бактеріофаг складається з білкової оболонки і генетичного матеріалу одноцепочечной або двуцепочечной нуклеїнової кислоти ( ДНК або, рідше, РНК). Розмір часток приблизно від 20 до 200 нм.

1. Історія

Англійська бактеріолог Туорт, Фредерік у статті 1915 описав інфекційну хворобу стафілококів, що інфікує агент проходив через фільтри, і його можна було переносити від однієї колонії до іншої.
Незалежно від Фредеріка Туорта французько-канадський мікробіолог Д'Ерель, Фелікс 3 вересня 1917 повідомив про відкриття бактеріофагів. Поряд з цим відомо, що російський мікробіолог Гамалея, Микола Федорович ще в 1898 році, вперше спостерігав явище лізису бактерій (сібіреязвенной палички) під впливом перевіваемих агента [1] [2].
Після відкриття явищ бактеріофагії Д'Ерелль розвинув вчення про те, що бактеріофаги патогенних бактерій, будучи їх паразитами, відіграють велику роль у патогенезі інфекцій, забезпечуючи одужання хворого організму, а потім створення специфічного імунітету. Це положення привернуло до явища бактеріофагії увагу багатьох дослідників, які припускали знайти в фагах важливий засіб боротьби з найбільш небезпечними інфекційними хворобами людини і тварин.
Також Фелікс Д'Ерель висунув припущення, що бактеріофаги мають корпускулярну природу. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Довгий час уявлення про морфології і основні особливості фагів грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи - Т1, Т2, ..., Т7, які розмножуються на Е. coli штаму B. Однак з кожним роком з'являлися нові дані, що стосуються морфології і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їхньої морфологічної класифікації.

2. Роль бактеріофагів в біосфері

Бактеріофаги є найчисленнішу, широко розповсюджену в біосфері і, імовірно, найбільш еволюційно давню групу вірусів [3] [4]. Приблизний розмір популяції фагів складає більше 30 жовтня фагових частинок [5].
У природних умовах фаги зустрічаються в тих місцях, де є чутливі до них бактерії. Чим багатше той чи інший субстрат (грунт, виділення людини і тварин, вода і т. д.) мікроорганізмами, тим в більшій кількості в ньому зустрічаються відповідні фаги. Так, фаги, лизирующие клітини всіх видів грунтових мікроорганізмів, знаходяться в грунтах. Особливо багаті фагами чорноземи і грунту, до яких вносилися органічні добрива.
Бактеріофаги виконують важливу роль у контролі чисельності мікробних популяцій, в автолизе старіючих клітин, в перенесенні бактеріальних генів, виступаючи в якості векторних "систем" [6].
Дійсно, бактеріофаги представляють собою один з основних рухомих генетичних елементів. За допомогою трансдукції вони привносять в бактеріальний геном нові гени. Було підраховано, що за 1 секунду можуть бути інфіковані 24 жовтня бактерій [7]. Це означає, що постійне перенесення генетичного матеріалу розподіляється між бактеріями, що живуть в умовах.
Високий рівень спеціалізації, довгострокове існування, здатність швидко репродукуватися у відповідному господаря сприяє їх збереженню в динамічному балансі серед широкого розмаїття видів бактерій в будь природній екосистемі. Коли відповідний господар відсутній, багато фаги можуть зберігати здатність до інфікування протягом десятиліть, якщо не будуть знищені екстремальними речовинами або умовами зовнішнього середовища [8].

3. Будова бактеріофагів

1 - головка, 2 - хвіст, 3 - нуклеїнова кислота, 4 - капсид, 5 - "комірець", 6 - білковий чохол хвоста, 7 - фібрила хвоста, 8 - шипи, 9 - базальна пластинка
Бактеріофаги розрізняються за хімічною структурою, типом нуклеїнової кислоти, морфології і характером взаємодії з бактеріями. За розміром бактеріальні віруси в сотні і тисячі разів менше мікробних клітин.
Типова фагових часток (віріон) складається з голівки і хвоста. Довжина хвоста зазвичай в 2 - 4 рази більше діаметра головки. У голівці міститься генетичний матеріал - одноцепочечная або двуцепочечние РНК або ДНК з ферментом транскриптазою в неактивному стані, оточена білкової або липопротеиновой оболонкою - капсидом, яке зберігає геном поза клітини [9].
Нуклеїнова кислота і капсид разом складають нуклеокапсид. Бактеріофаги можуть мати ікосаедральний капсид, зібраний з безлічі копій одного або двох специфічних білків. Зазвичай кути складаються з пентамером білка, а опора кожного боку з гексамерів того ж або подібного білка. Більше того, фаги за формою можуть бути сферичні, лімоновідние або плеоморфние [10]. Хвіст представляє собою білкову трубку - продовження білкової оболонки головки, в основі хвоста є АТФаза, яка регенерує енергію для ін'єкції генетичного матеріалу. Існують також бактеріофаги з коротким відростком, що не мають відростка і ниткоподібні [11].
Фаги, як і всі віруси, є абсолютними внутрішньоклітинними паразитами. Хоча вони переносять всю інформацію для запуску власної репродукції у відповідному господаря, у них відсутні механізми для вироблення енергії і рибосоми для синтезу білка. У деяких фагів в геномі міститься кілька тисяч підстав, тоді як фаг G, найбільший з секвенувати фагів, містить 480 000 пар основ - удвічі більше середнього значення для бактерій, хоча все ж недостатню кількість генів для найважливішого бактеріального органоида як рибосоми.

4. Систематика бактеріофагів

Велика кількість виділених і вивчених бактеріофагів визначає необхідність їх систематизації. Класифікація вірусів бактерій зазнавала змін: грунтувалася на характеристиці господаря вірусу, враховувалися серологічні, морфологічні властивості, а потім будівля і фізико-хімічний склад вириона [12].
В даний час відповідно до Міжнародної класифікації і номенклатурі вірусів бактеріофаги, залежно від типу нуклеїнової кислоти поділяють на ДНК-і РНК-содержат.
За морфологічними характеристиками ДНК-містять фаги виділені в наступні сімейства: Myoviridae, Siphoviridae, Podoviridae, Lipothrixviridae, Plasmaviridae, Corticoviridae, Fuselloviridae, Tectiviridae, Microviridae, Inoviridae Plectovirus і Inoviridae Inovirus.
РНК-містять: Cystoviridae, Leviviridae [13].

5. Взаємодія бактеріофага з бактеріальними клітинами

Адсорбція бактеріофагів на поверхні бактеріальної клітини
За характером взаємодії бактеріофага з бактеріальною клітиною розрізняють вірулентні і помірні фаги [11]. Вірулентні фаги можуть тільки збільшуватися в кількості допомогою литического циклу [8]. Процес взаємодії вірулентного бактеріофага з кліткою складається з декількох стадій: адсорбції бактеріофага на клітці, проникнення в клітину, біосинтезу компонентів фага і їх складання, виходу бактеріофагів з клітини [7] [14].
Спочатку бактеріофаги прикріплюються до фагоспеціфіческім рецепторів на поверхні бактеріальної клітини. Хвіст фага за допомогою ферментів, що знаходяться на його кінці (в основному лізоциму), локально розчиняє оболонку клітини, скорочується і міститься в головці ДНК ін'еціруют в клітку, при цьому білкова оболонка бактеріофага залишається зовні. Ін'єктовані ДНК викликає повну перебудову метаболізму клітини: припиняється синтез бактеріальної ДНК, РНК і білків. ДНК бактеріофага починає транскрибувати за допомогою власного ферменту транскриптази, який після потрапляння в бактеріальну клітину активується. Синтезуються спочатку ранні, а потім пізні иРНК, які надходять на рибосоми клітини-хазяїна, де синтезуються ранні (ДНК-полімерази, Нуклеази) та пізні (білки капсида і хвостового відростка, ферменти лізоцим, АТФаза і транскриптаза) білки бактеріофага. Реплікація ДНК бактеріофага відбувається по напівконсервативний механізм і здійснюється за участю власних ДНК-полімераз. Після синтезу пізніх білків і завершення реплікації ДНК настає завершальний процес - дозрівання фагових частинок або з'єднання фагової ДНК з білком оболонки і освіта зрілих інфекційних фагових частинок [15].
Тривалість цього процесу може становити від декількох хвилин до декількох годин [8]. Потім відбувається лізис клітини, і звільняються нові зрілі бактеріофаги [11]. Іноді фаг ініціює лізуючий цикл, що призводить до лізису клітини і звільнення нових фагів. В якості альтернативи фаг може ініціювати лизогенной цикл, при якому він замість реплікації оборотно взаємодіє з генетичною системою клітини-господаря, інтегруючись в хромосому або зберігаючись у вигляді плазміди [8]. Таким чином, вірусний геном реплікується синхронно з ДНК хазяїна і діленням клітини, а подібний стан фага називається профагом. Бактерія, що містить профаг, стає лизогенной до тих пір, поки при певних умовах або спонтанно профаг не буде стимульований на здійснення лізуючого циклу реплікації. Перехід від лизогении до лізису називається лизогенной індукцією або індукцією профага. На індукцію фага робить сильний вплив стан клітини господаря попереднє індукції, також як наявність поживних речовин та інші умови, що мають місце бути в момент індукції. Мізерні умови для зростання сприяють лизогенной шляху, тоді як хороші умови сприяють лізуючий реакції [8, 11, 15].
Дуже важливою властивістю бактеріофагів є їх специфічність: бактеріофаги лізують культури певного виду, більш того, існують так звані типові бактеріофаги, лизирующие варіанти всередині виду, хоча зустрічаються полівалентні бактеріофаги, які паразитують в бактеріях різних видів [16] [17].

6. Життєвий цикл

Помірні і вірулентні бактеріофаги на початкових етапах взаємодії з бактеріальною клітиною мають однаковий цикл.
  • Адсорбція бактеріофага на фагоспеціфіческіх рецепторах клітини.
  • Ін'єкція фаговой нуклеїнової кислоти в клітину хазяїна.
  • Спільна реплікація фагової і бактеріальної нуклеїнової кислоти.
  • Поділ клітини.
  • Далі бактеріофаг може розвиватися за двома моделями: лизогенной або літичний шлях.
    Помірні бактеріофаги після поділу клітини знаходяться в стані профага (лизогенной шлях).
    Вірулентні бактеріофаги розвиваються по літичної моделі:
  • Нуклеїнова кислота фага направляє синтез ферментів фага, використовуючи для цього белоксинтезирующий апарат бактерії. Фаг тим або іншим способом інактивує ДНК і РНК господаря, а ферменти фага зовсім розщеплює її; РНК фага "підкоряє" собі клітинний апарат синтезу білка.
  • Нуклеїнова кислота фага реплікується, і направляє синтез нових білків оболонки. Утворюються нові частки фага в результаті спонтанної самозбірки білкової оболонки (капсид) навколо фагової нуклеїнової кислоти; під контролем РНК фага синтезується лізоцим.
  • Лізис клітини: клітина лопається під впливом лізоциму; вивільняється близько 200-1000 нових фагів; фаги інфікують інші бактерії.

7. Застосування

7.1. У медицині

Однією з областей використання бактеріофагів є антибактеріальна терапія, альтернативна прийому антибіотиків. Наприклад, застосовуються бактеріофаги: стрептококовий, стафілококовий, клебсіеллезной, дизентерійний полівалентний, піобактеріофаг, коли, протейний і коліпротейний та інші.
Бактеріофаги застосовуються також у генної інженерії в якості векторів, що переносять ділянки ДНК, можлива також природна передача генів між бактеріями за допомогою деяких фагів ( трансдукція).
Фагові вектори зазвичай створюють на базі помірного бактеріофага λ, що містить двухцепочечную лінійну молеклул ДНК. Ліве і праве плечі фага мають всі гени, необхідні для литического циклу (реплікації, розмноження). Середня частина генома бактеріофага λ (містить гени, які контролюють лизогении, тобто його інтеграцію в ДНК бактеріальної клітини) не суттєва для його розмноження і складає приблизно 25 тисяч пар нуклеотидів. Ця частина може бути замінена на чужорідний фрагмент ДНК. Такі модифіковані фаги проходять літичний цикл, але Лізогенія не відбувається. Вектори на основі бактеріофага λ використовують для клонування фрагментів ДНК еукаріот (тобто більш великих генів) розміром до 23 т.п.н. Причому, фаги без вставок - менше 38 т.п.н або, навпаки, з дуже великими вставками - понад 52 т.п.н не розвиваються і не вражають бактерії [18].

7.2. У біології

Бактеріофаги M13, фаг Т4, T7 і фаг λ використовують для вивчення білок-білкових, білок- пептидних і ДНК-білкових взаємодій методом фагового дисплея.
Оскільки розмноження бактеріофага можливо тільки в живих клітинах бактеріофаги можуть бути використані для визначення життєздатності бактерій. Даний напрямок має великі перспективи, оскільки, одним з основних питань при різних біотехнологічних процесах є визначення життєздатності використовуваних культур. За допомогою методу електрооптичного аналізу клітинних суспензій була

Немає коментарів:

Дописати коментар