И.М. ЩЕРБЕНКОВ , к.м.н., ЦЭЛТ, Москва

Бактерии, резистентные к большинству или ко всем из всех известных антибиотиков, вызывают все более серьезные проблемы. Это увеличивает риск возврата медицинского сообщества к проблемам того периода, когда антибиотики были неизвестны и широко распространены неизлечимые инфекции и эпидемии. Несмотря на интенсивную работу ведущих химиков и фармацевтов всего мира, за последние 30 лет резко снизился синтез новых классов антибиотиков, и в ближайшее время не предвидится поступления в клиническую практику принципиально новых представителей антибактериальных средств. Есть надежда, что вновь обнаруженная возможность полностью секвенировать микробные геномы и определять молекулярные основы патогенности откроет новые пути лечения инфекционных заболеваний, но все с большим рвением идет поиск других подходов к этой проблеме.

Одним из результатов такого поиска является вновь возникший интерес к возможностям терапевтического использования бактериофагов (от бактерии и греч. phagos пожиратель; букв. пожиратели бактерий) специфических вирусов, которые атакуют только бактерии и убивают патогенные микроорганизмы. Бактериофаги обладают способностью проникать в бактериальные клетки, репродуцироваться в них и вызывать их лизис.

История изучения и применения бактериофагов

В 1896 г. Эрнест Ханкин сообщил, что воды рек Ганга и Джамна в Индии обладают значительной антибактериальной активностью, которая сохранялась после прохождения через фарфоровый фильтр с порами очень малого размера, но устранялась при кипячении. Наиболее подробно изучал он действие неизвестной субстанции на Vibrio cholerae и предположил, что она ответственна за предупреждение распространения эпидемий холеры, вызванных употреблением воды из этих рек. Однако в последующем он не объяснил этот феномен.

В 1898 г. впервые перевиваемый лизис бактерий (сибиреязвенной палочки) наблюдал русский микробиолог Н.Ф. Гамалея.

Официально бактериофаги были открыты почти через 20 лет независимо друг от друга Ф. Туортом совместно с А. Лондом и Ф. д"Эрелем как фильтрующиеся, передающиеся агенты разрушения бактериальных клеток. Английский ученый Ф. Туорт в 1915 г. описал явление лизиса у гнойного стафилококка и открыл первый «вирус, пожирающий бактерии», когда наблюдал любопытное дегенеративное изменение  лизис в культурах стафилококков из лимфы теленка. С его именем связано название «феномен Туорта». В 1917 г. Феликс д’Эрель делает аналогичное открытие, именно он дал им название «бактериофаги», используя суффикс «фаг» не в его прямом смысле «есть», а в смысле развития за счет чего-то.

В 1980-е гг. эффективность лечения антибиотиками значительно понизилась, бактерии активно вырабатывают лекарственную устойчивость. Чтобы создать новый сильнодействующий антибиотик, фармацевтические компании сегодня должны в среднем потратить 10 лет и 800 млн долл. Это послужило поводом к повышенному интересу к фаговой терапии. В начале 2000-х гг. Гленн Моррис, сотрудник Университета Мэриленд (США), совместно с НИИ бактериофагов, микробиологии и вирусологии в Тбилиси наладил испытания фаговых препаратов для получения лицензии на их применение в США. И уже в июле 2007 г. бактериофаги одобрены для использования в США. На протяжении последних нескольких лет исследования свойств бактериофагов проводятся в России, Грузии, Польше, Франции, Германии, Финляндии, Канаде, США, Великобритании, Мексике, Израиле, Индии, Австралии.

Характеристика фагов

Применение современных электронных микроскопов, а также усовершенствование методов приготовления препаратов для электронной микроскопии позволили более детально изучить тонкую структуру фагов. Оказалось, что она весьма разнообразна и у многих фагов более сложна, чем структура вирусов растений и ряда вирусов человека и животных. Бактериофаги, как и другие вирусы, несут свою генетическую информацию в форме ДНК либо РНК. Большинство бактериофагов имеют хвостики, кончики которых прикреплены к конкретным рецепторам, таким как молекулы углеводов, белков и липополисахаридов на поверхности бактерии-хозяина. Бактериофаг впрыскивает свою нуклеиновую кислоту в хозяина, где он использует генетический механизм хозяина, чтобы реплицировать свой генетический материал, и считывает его, чтобы сформировать новый фагокапсульный материал для создания частичек нового фага. Число фагов, произведенных в течение единичного цикла инфекции (размер выхода), варьирует между 50 и 200 новыми фаговыми частицами.

Лизогенизация бактерий сопровождается изменением их морфологических, культуральных, ферментативных, антигенных и биологических свойств. Так, например, нетоксигенные штаммы коринебактерий дифтерии в результате лизогенизации превращаются в токсигенные.

Практическое использование фагов

Фаготерапия (применение бактериальных вирусов для лечения бактериальных инфекций) была проблемой, весьма интересующей ученых еще 60 лет назад. Открытие пенициллина и других антибиотиков в 1940-х гг. обеспечило более результативный и многосторонний подход к подавлению вирусных заболеваний и спровоцировало к закрытию работ в данной области.

В связи с катастрофически возрастающей антибиотикорезистентностью и отсутствием в ближайшей перспективе новых антибактериальных средств возродился активный интерес к фаготерапии.

Научные данные последних десятилетий доказывают, что в отличие от антибиотиков препараты бактериофагов имеют следующие положительные качества:

Размножаясь, они самостоятельно регулируют свою численность (увеличивая или уменьшая ее), поскольку размножаются только до тех пор, пока имеются чувствительные бактерии, а затем постепенно элиминируются из организма и окружающей среды;
они гораздо более специфичны, чем большинство антибиотиков; будучи нацелены на конкретные проблемные бактерии, вызывают гораздо меньшее повреждение нормального микробного баланса организма. Бактериальный дисбаланс, или «дисбиоз», вызванный лечением многими антибиотиками, может привести к серьезным вторичным инфекциям с участием достаточно резистентных бактерий, увеличивающим затраты на лечение и летальность. Специфические проблемы, возникающие в результате, включают инфекции, вызванные псевдомонадами, трудно поддающиеся лечению, и Clostridium difficile, причину серьезной диареи и псевдомембранозного колита;
фаги имеют возможность использовать в качестве мишеней рецепторы на бактериальной поверхности, участвующие в патогенезе, а это означает, что вирулентность любых резистентных к ним мутантов ослаблена;
в отношении фаговой терапии описано мало побочных эффектов;
фаговая терапия была бы особенно применима для лиц с аллергией к антибиотикам;
должным образом селекционированные фаги можно легко использовать профилактически, способствуя предотвращению бактериальных заболеваний у людей или животных при контакте с микробами, либо для санации больниц и борьбы с госпитальными инфекциями;
фаг можно использовать либо независимо, либо в сочетании с другими антибиотиками, с целью уменьшения вероятности развития резистентности бактерий;
фаги не воздействуют на нормофлору кишечника и препараты эубиотиков и протобиотиков, что дает возможность для их совместного применения.

Обладая широким спектром антибактериальной активности и клинической эффективности, бактериофаги эффективны против лекарственно-устойчивых организмов, что предоставляет возможность расценивать их как аналоги или заменители антибиотиков и средства противосептической терапии.

Фаготерапия может использоваться профилактически с целью борьбы с распространением инфекционного заболевания там, где источник идентифицирован на ранней стадии, или там, где вспышки случаются внутри сравнительно закрытых организаций, таких как школы или детские сады.

Активность лечебно-профилактических бактериофагов при инфекционных болезнях пищеварительной системы, гнойно-септических заболеваниях кожных покровов, кровеносной системы, дыхательной системы, опорно-двигательного аппарата, мочеполовой системы (более 180 нозологических единиц заболеваний, вызванных бактериями Klebsiella, Escherichiae, Proteus, Pseudomonas, Staphylococcus, Streptococcus, Serratia, Enterobacter) довольно высока – от 72 до 90% – и часто является единственным эффективным лечебным средством. Также это касается штаммов больничного происхождения, характеризующихся множественной устойчивостью к антибиотикам.

Препараты бактериофагов

Лечебно-профилактические препараты бактериофагов составлены из поликлональных патогенных бактериофагов обширной сферы действия, действенных относительно антибиотикоустойчивых бактерий. По составу различают поливалентные (активные по отношению к различным видам и сероварам одного возбудителя) и комбинированные (с содержанием фагов к нескольким возбудителям) бактериофаги, что позволяет получить лечебный эффект при наличии микробных ассоциаций. ФГУП «НПО «Микроген» Минздрава России выпускает большой спектр лекарственных бактериофагов: стафилококковый, стрептококковый, коли, протейный, синегнойный, клебсиеллезный, брюшнотифозный, дизентерийный, сальмонеллезный. Имеются и их комбинированные формы: колипротейный бактериофаг, интести бактериофаг (смесь стерильных фильтратов фаголизатов бактерий: Shigella Flexneri 1-6 серогруппы В, Sonnei серогруппы D; Salmonella paratyphi A,B, Typhimurium, Choleraesuis, Oranienburg, Enteritidis, наиболее распространенных серологических групп E. coli – 0111, 055, 026, 125, 0119, 0128, 018, 044, 025, 020, Proteus (vulgaris, mirabilis), Staphylococcus, Pseudomonas, Enterococcus – титр фага не менее 1 х 106).

Препараты бактериофагов представляют собой стерильный фильтрат бактериальных фаголизатов, их прописывают для применения внутрь, местно для орошения повреждений и слизистых, введения в полости матки, мочевого пузыря, уха, придаточных пазух, а также в дренированные полости – брюшную, плевральную, а также в полости нарывов и гнойников после удаления экссудата. Бактериофаги способны стремительно проникать в кровоток, лимфатическую систему, а удаляются из организма вместе с мочой. Соответствие препаратов бактериофагов нынешней атиологической структуре возбудителей достигается производством штаммов, или штаммов-продуцентов, или синтезированного материала, не подлежащего каким-либо трансформациям. Такая пластичность бактериофаговых препаратов обеспечивает продолжительный эффект первичной фагоустойчивости возбудителей. Применение бактериофагов для лечения инфекционных заболеваний инициирует факторы специфического и неспецифического иммунитета, что в особенности результативно для терапии длительных инфекционных заболеваний, возникших в результате ослабления иммунитета на фоне депрессивного расстройства при бактерионосительстве. Научными исследованиями, во время клинических наблюдений, методом эксперимента выявлена несостоятельность плазмид передавать антибиотикам иммунитет к токсигенности профилактико-терапевтическим препаратам бактерионосительства, потому что они являются поликлональными комплексами вирулентных бактериофагов.

При использовании бактериофагов в крупных клиниках целесообразно включать в состав производственных штаммов, на которых готовятся коммерческие препараты, госпитальные штаммы возбудителей гнойно-воспалительных заболеваний, характерных для данного стационара. Отечественными неонатологами показана высокая эффективность фаготерапии гнойно-септических инфекций у детей раннего возраста. Помимо литического действия на микробы, отмечают их значение в механизме антитоксического, клеточного и гуморального иммунитета. Изучение возможности применения бактериофагов как альтернативы антибиотикотерапии для лечения острой кишечной инфекции (ОКИ) у детей в возрасте до 3 лет, проводимое на кафедре детских инфекционных болезней КНМУ, показало высокую эффективность поливалентного Интести-бактериофага. Был сделан вывод о возможности проведения этиотропной терапии поливалентным Интести-бактериофагом без включения антибиотиков больным ОКИ в легкой и средне-тяжелой форме даже в условиях общего кишечного отделения.

Дисбиоз как актуальная проблема у детей

В последние годы актуальной задачей в педиатрии остается рациональная фармакотерапия дисбиозов различного генеза. В особенности актуальна проблема дисбиоза кишечника у детей раннего возраста. Результаты современных исследований свидетельствуют о наличии дисбактериоза кишечника I-II степени у 50% здоровых детей грудного возраста, III-IV степени - у 20-25% детей. Нарушения микробиоценоза кишечника наблюдают практически при всех заболеваниях детского возраста. При формировании дисбактериоза усугубляется общее состояние пациента, снижается резистентность организма к инфекционным и антигенным агентам, толерантность к пищевым продуктам. Все это создает фон для более тяжелого течения заболеваний, возникновения осложнений, перехода острых форм в хронические. Дети первого полугода жизни особенно подвержены дисбиозу, что обусловлено транзиторной недостаточностью ферментов (в основном лактазы), незрелостью вегетативной нервной системы (ВНС), регулирующей моторику кишечника, несформированностью иммунных механизмов.

Основными причинами возникновения дисбиоза кишечника в детском возрасте являются:

Несвоевременное начало и неправильное ведение лактации;
ранний переход и нерациональное искусственное вскармливание на первом году жизни ребенка и нарушение режима питания  в старшем возрасте;
острые кишечные инфекции и заболевания пищеварительного канала неинфекционного характера;
нерациональное применение антибиотиков и других химиотерапевтических препаратов;
аллергическая предрасположенность;
снижение естественной резистентности организма.

Лечение пациентов с дисбиозом кишечника следует проводить дифференцированно и начинать с выявления основного заболевания, без лечения которого признаки дисбиоза рецидивируют. Длительность одного курса лечения детей индивидуальна и колеблется от 10 сут. до 1,52 мес. Повторные курсы проводят после промежуточного бактериологического контроля (исследование кала) не ранее, чем через 2 нед. после окончания курса терапии. Суммарная длительность восстановления (до уровня устойчивой клинической компенсации) зависит от многих сопутствующих факторов и составляет 69 мес.

В современной детской гастроэнтерологии используется широкий арсенал препаратов для коррекции нарушенного микробиоценоза кишечника. В клинической практике педиатры и гастроэнтерологи для коррекции дисбиоза всe чаще используют бактериофаги. Применяют коли-протейный, стафилококковый, синегнойный, поливалентный дизентерийный, сальмонеллезный, комбинированный (смесь стафилококкового, стрептококкового, коли, синегнойного, протейного бактериофагов), поливалентный пиобактериофаг, интестифаг и др. Применение специфических бактериофагов позволяет оптимальным образом осуществить селективную деконтаминацию, проводимую при ряде патологических состояний с целью санирующего эффекта, а также для восстановления нормального микробиоценоза. Являясь безвредным биологическим методом лечения, бактериофаготерапия может применяться у детей раннего возраста. Для получения положительных результатов использования бактериофагов необходимо предварительное исследование чувствительности к ним микроорганизмов.

Коли-протейный бактериофаг жидкий мы применяем при лечении детей с дисбиозом, обусловленным энтеропатогенной кишечной палочкой (эшерихией) и протеем (мирабилис или вульгарным). Бактериофаг назначаем внутрь или в клизме. Суточная доза препарата для применения внутрь: детям в возрасте до 6 мес. 5 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме вместо одного из приемов через рот; от 6 мес. до 1 года 1015 мл 2 раза в сутки внутрь и 20 мл 1 раз в сутки в клизме; в возрасте 13 лет 1520 мл 2 раза в сутки внутрь и 40 мл 1 раз в сутки в клизме; старше 3 лет 20 мл 2 -3 раза в сутки внутрь и 40-60 мл 1 раз в сутки в клизме. Внутрь бактериофаг назначают за 1-1,5 ч до еды. Детям первого месяца жизни бактериофаг разводят кипяченой водой в 2 раза. Детям старше 6 мес. за 5-10 мин до введения препарата дают 10-20 мл (в зависимости от возраста) 2-3%-ного раствора натрия гидрокарбоната для нейтрализации желудочного сока. Курс лечения составляет 5-10 сут. в зависимости от степени выраженности дисбиотических нарушений.

В клизме препарат целесообразно применять при отсутствии синдрома мальабсорбции: детям до 6 мес. - 20 мл, от 6 мес. до 3 лет - 30-40 мл, старше 3 лет - 40–50 мл. Препарат вводят 1 раз в сутки 23 курсами продолжительностью 3-4 сут. С интервалом между курсами 3 сут. Противопоказаний к применению препарата нет. Назначение бактериофага не исключает применения других ЛС.

Стафилококковый бактериофаг жидкий мы назначаем внутрь в суточной дозе: детям до 6 мес. - 20 мл, 6 мес. - 3 года - 40 мл, старше 3 лет - 100 мл. Вводят в 2 приема, натощак, за 1,5-2 ч до еды. В клизме в этих же дозах следует вводить 1 раз в сутки по той же схеме.

Поскольку мы в реальной клинической практике при дисбиозах встречаемся с одновременным ростом различных представителей патогенной микрофлоры, важно назначение в подобных случаях с учетом данных бактериологических исследований комбинированных бактериофагов - смеси стафилококкового, стрептококкового, коли, синегнойного, протейного бактериофагов. Их назначают детям в возрасте до 3 лет по 3-5 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме; старше 3 лет - 5-10 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме. Внутрь назначают за 1 ч до еды. Возможно дополнительное введение комбинированного фага в высокой клизме по 5-20 мл. Курс лечения 5-15 сут.

Интестифаг содержит фаголизаты кишечной палочки, шигеллезы сальмонелл, УПМ. Назначают внутрь за 1 ч до еды детям в возрасте до 3 лет по 3-5 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме; детям старше 3 лет - по 5-10 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме. Курс лечения 5-6 сут.

Поливалентный пиобактериофаг, или секстифаг - смесь фаголизатов кишечной палочки, клебсиеллы, синегнойной палочки, стафилококка, стрептококка, протея. Данный препарат отличается наиболее высокой степенью очистки от бактериальных метаболитов, что значительно улучшает его вкусовые качества и делает средством первого выбора у детей до года. Назначают: детям в возрасте до 3 лет - 3-5 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме; старше 3 лет - 5-10 мл 3 раза в сутки внутрь и 10 мл 1 раз в сутки в клизме. Внутрь применяют за 1 ч до еды. Курс лечения 5-15 сут.

Применение фагов предшествует назначению кислотообразующих препаратов (пребиотиков, пробиотиков и др.).

Заключение
Препараты бактериофагов эффективны при лечении болезней, вызванных антибиотикоустойчивыми штаммами микроорганизмов, в частности при лечении паратонзиллярных гнойников, воспалений пазух носа, а также гнойно-септических инфекций, реанимационных больных, хирургических заболеваний, циститов, пиелонефритов, холециститов, гастроэнтероколитов, дисбактериоза кишечника, воспалительных заболеваний и сепсиса новорожденных. При обширно распространенном формировании стабильности к антибиотикам у патогенных бактерий необходимость в новых антибиотиках и альтернативных технологиях контроля за микробными инфекциями завоевывает все большую значимость. Бактериофагам, вероятно, еще предстоит исполнить свою роль в лечении инфекционных заболеваний как при их независимом применении, так и в сочетании с антибиотико-терапией.

Литература
1. Антибиотики-убийцы: [история открытия, польза и вред, противопоказания, ищем замену, когда нет выхода]. М.: Эксмо, 2007.
2. Приворотский В.Ф., Лупова Н.Е., Шильникова О.В. Логика построения корригирующих медикаментозных программ нарушенного микробиоценоза кишечника у детей // РМЖ. 2007. №1. С. 6–9.
3. Бельмер С.В. Антибиотик-ассоциированный дисбактериоз кишечника // РМЖ. 2004. Т. 12. №3. С. 148–151.
4. Методы нормализации пищеварения у детей с дисбактериозом: пособие для врачей / под ред. академика РАМН А.А. Баранова. М., 2005. С. 38–39.
5. Заболевания кишечника. Справочник для практических врачей «Ремедиум-врач». М.: ООО «Издательство «Ремедиум». С. 74–76.
6. Государственный реестр лекарственных средств. М.: МЗиСР (интернет версия www.drugreg.ru) .
7. Нижевич А.А., Хасанов Р.Ш., Нуртдинова Н.М., Очилова Р.А., Логиновская В.В., Калметьева Л.Р. Антибиотик-ассоциированный дисбактериоз кишечника у детей // РМЖ. 2007. №1. С. 12–15.
8. Щербаков П.Л., Цветков П.М., Нечаева Л.В. Профилактика диареи, связанной с приемом антибиотиков у детей // Вопросы современной педиатрии. 2004. Т. 3. №2.
9. Корман Д.Б. Основы противоопухолевой химиотерапии. М.: Практическая медицина, 2006.
10. Зеленин К.Н. Возникновение и развитие химиотерапии.
11. Урсова Н.И. Дисбактериоз кишечника у детей: руководство для практических врачей / под ред. Г.В. Римарчук. М.: «Компания БОРГЕС», 2006.
12. Ларчини Д., Паренти Ф. Антибиотики / пер. с англ. Ю.В. Дудника. М.: Мир, 1985.
13. Клинико-иммунологическая эффективность иммунобиологических препаратов / под ред. М.П. Костинова и И.В. Медуницына. М.: Миклош, 2004. С. 195–206.
14. Стент Г. Молекулярная биология вирусов бактерий / пер. с англ. М., 1965.
15. Хейс У. Генетика бактерий и бактериофагов / пер. с англ. М., 1965.
16. Шлегель Г. Общая микробиология / пер. с нем. М., 1987. С. 142.

Полужидкие среды содержат гелеобразующее вещество в низкой (0,3 – 0,7 %) концентрации и имеют мягкую желеподобную консистенцию. Такие среды пригодны для изучения подвижности и хемотаксиса клеток, культивирования микроаэрофилов.

Сыпучие среды представляют собой массу в той или иной степени измельченного и увлажненного сырья (чаще всего, растительного). Основное их назначение – использование в пищевой промышленности (получение соевого соуса или рисовой водки), сельском хозяйстве (силосование кормов) и т. д. В бактериологической практике чаще всего используются сухие питательные среды, которые получают в промышленных масштабах – это триптические гидролизаты дешевых непищевых продуктов (рыбные отходы, мясокостная мука, технический казеин) с добавлением микробиологического агара. Сухие среды являются достаточно дешевым сырьем, могут храниться в течение длительного времени, удобны при транспортировке, имеют относительно стандартный состав, на их основе быстро и легко готовить питательные среды.

Положение микроорганизмов в системе живого мира

В природе имеются три царства: животные, растения и протисты. Между животными и растениями есть существенные различия: в способе питания (животные – гетеротрофы, растения – автотрофы), по строению клетки и клеточных оболочек, способности к активному передвижению, способности синтезировать определенные вещества.

Царство протистов – главным образом одноклеточные.

В соответствии с современными принципами классификации, все протисты в зависимости от строения клетки, делятся на эукариотические (истинноядерные) и прокариотические (доядерные). К эукариотическим микроорганизмам относятся водоросли, грибы и простейшие, к прокариотическим – бактерии. Выделяют особое царство – вирусы.

Т.о., микроорганизмы в таксономическом отношении это очень неоднородная группа, представители которой отличаются друг от друга морфологией, строением, физиологией, типами конструктивного и энергетического метаболизма, а также особенностями питания клетки, но общим их признаком являются малые размеры особей и одинаковая техника изучения.

Перечислим существенные особенности микроорганизмов:

1. Малые размеры их клеток . Это свойство определяет морфологические, физиологические, биохимические и другие особенности микроорганизмов.

2. Высокая метаболическая активность . У микроорганизмов из-за малых размеров очень велико отношение площади поверхности клетки к ее объему, что создает благоприятные условия для активного обмена с внешней средой. Показано, что метаболическая активность микроорганизмов в расчете на единицу биомассы намного выше, чем у более крупных клеток растений и животных.

3. Высокая пластичность их метаболизма .

Во-первых, данное свойство приводит к быстрому приспособлению к меняющимся условиям окружающей среды. Для микроорганизмов характерно большее разнообразие ферментных систем и более мобильные способы регуляции обмена веществ, чем для макроорганизмов. Из-за малых размеров, клетки микроорганизмов могут вместить в себя только несколько сотен тысяч белковых молекул. Поэтому ненужные в данных условиях существования ферменты не могут содержаться про запас в клетках микроорганизмов. Они синтезируются только тогда, когда соответствующее питательное вещество (субстрат) появляется в среде. Такие ферменты называются индуцибельными , они могут составлять до 10 % общего белка, содержащегося в клетке в данный момент времени.

Во-вторых, следствием высокой пластичности метаболизма микроорганизмов является, по определению В. И. Вернадского, их «всюдность». Микроорганизмы можно обнаружить в арктических областях, горячих источниках, высоких слоях атмосферы, шахтах с большим содержанием сероводорода и этим они отличаются от всех растений и животных, которые часто обитают лишь на отдельных континентах или в географических зонах.

4. Способность к быстрому размножению . В оптимальных условиях, например, бактерии Escherichia coli могут делиться каждые 20 мин.

5. Морфологически слабо дифференцированы . Среди них можно различить лишь ограниченное число форм. В основном это либо сферические формы, либо прямые и изогнутые палочки.Отсутствует дифференцировка на ткани и органы. Это также делает их непохожими на растения и животные.

6.Огромный контраст между внешним морфологическим единообразием и чрезвычайным многообразием метаболических процессов. В то время как животные и растения нуждаются в молекулярном кислороде, многие группы прокариот способны жить без доступа воздуха в анаэробных условиях, получая необходимую для роста энергию в результате брожения или анаэробного дыхания. Другие группы прокариот обладают способностью использовать энергию света и строят нужные им вещества либо из органических соединений, либо из углекислоты (двуокиси углерода). Некоторые бактерии могут получать энергию путем окисления различных неорганических соединений или элементов. Среди бактерий широко распространена также способность к фиксации молекулярного азота.

Вирусология

Вопрос 1. Открытие бактериофагов, бактериофагия, классификация бактериофагов, особенности взаимодействия с клеткой вирулентных и умеренных фагов, три состояния бактериофага

Бактериофаги (или просто фаги) − вирусы бактерий.

Бактериофагия – процесс взаимодействия фагов с бактериями, заканчивающийся очень часто их разрушением (от лат. bacteriophaga – пожира­ющий бактерии).

Явление бактериофагии открыл Ф. Туорт. В 1915 г. он наблюдал «остекленение» (лизис) колоний белого стафилококка. Полученный Туортом фильтрат биомассы таких колоний вызывал аналогичный эффект у свежевыросших нормальных колоний, а на газоне ага­ровых культур стафилококка вызывал появление точечных прозрачных (стериль­ных) участков.

Явление бактериофагии наблюдали многие ученые, но приоритет открытия фагов (1916) принад­лежит Ф. Д"Эреллю – канадскому ученому, работавшему в Париже в Институте Пастера. Феликс Д"Эрелль задумался над вопросом: почему возбудитель дизентерии, высевающийся в ее начале в большом количестве, в конце заболевания очень часто перестает выделяться? Ученый к свежей бульонной культуре дизентерийной палочки стал добавлять по нескольку капель фильтрата испражнений больного. После одного из таких посевов Д"Эрелль обнаружил агент, способный разрушать дизентерийные бактерии. При добавлении к мутной бульонной культуре он вызвал ее просветление, а при добавлении к культуре, засеянной на плотную среду, появлялись прозрачные (стерильные) пятна - колонии. Способность вызывать такие пятна и размножаться при повторных посевах дали основание считать его живым корпускулярным агентом. Д"Эрелль назвал его Bacteriophagum intestinale, т. е. выделенный из кишечника пожира­тель бактерий.

Последующие наблюдения показали, что бактериофаги распространены повсеместно. Они встречаются всюду, где есть бактерии - в почве, воде, кишечном тракте человека и животных, гнойных выделениях и т. п. Особенно много фагов в сточных водах; из этого источника можно выделить практически любой фаг.

Классификация бактериофагов

Фаги, как и вирусы позвоночных, беспозвоночных и расте­ний, по содержанию нуклеиновых кислот подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие, а по характеру взаимодействия с бак­териями – на вирулентные и умеренные с полноценным и де­фектным геномами.

По спектру действия на бактерии фаги подразделяются на

− поливалентные , лизирующие бактерии нескольких видов;

− монофаги , лизирующие бактерии только одного вида;

− типоспецифические фаги (типовые, Т-фаги), которые избирательно лизируют отдельные варианты бактерий внутри вида.

По способности вызывать инфекцию различают фаги инфекционные , т. е. способные вызвать разные формы фаговой инфекции, и неинфекционные (вегетативные), или незрелые фаги, находящиеся еще в стадии размножения. В свою очередь инфекционные фаги разделяют на покоящиеся (находящиеся вне клетки), вирулент­ные − способные вызвать продуктивную форму инфекции, и умеренные фаги − способные вызывать не только продуктивную, но и редуктивную фаговую инфекцию.

По размерам различают фаги мелкие, средние и крупные. Чем крупнее фаги, тем больше у них генов и сложнее их жизненный цикл. К самым маленьким относятся фаги М13 и φX174.

Выделяют пять основных морфологических типов бактериофагов:

─ тип I − ДНК-содержащие нитевидные фаги, лизирующие бактерии, содержащие F-плазмиды;

─ тип II − фаги, состоящие из головки и рудимента хвоста. Геном большинства из них образован молекулой РНК и лишь у фага φX174- однонитевой ДНК;

─ Типа III − фаги, имеющие короткий хвост (например, Т-фаги 3 и 7);

─ Тип IV − фаги с несокращающимся хвостом и двухнитевой ДНК (например, Т-фаги 1 и 5);

─ Типа V − фаги, имеющие ДНК-геном, сокращающийся чехол хвоста, который заканчивается базальной пластиной (например, Т-фаги 2 или 4).

Типичный бактериофаг может существовать в трех состояниях: профага, вегетативного фага и зрелого фага. В зрелом состоянии фаги (зрелый фаг) существуют вне клетки – хозяина, метаболически они инертны. После адсорбции на клетке-хозяине часть фаговой частицы проникает внутрь клетки, где начинает размножаться. Такая размножающаяся внутри клетки частица отличается во многих отношениях от зрелого фага; ее называют вегетативным фагом вследствие присущей ей почти безграничной способности к воспроизведению. Умеренные фаги, характеризуются способностью существовать в третьем состоянии – в состоянии профага , когда фаг вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Таким образом, профаг – внутриклеточное состояние фага в условиях, когда его литические функции подавлены.

Вопрос 2. Пути передачи вирусов животных и человека (вертикальная и горизонтальная передача), особенности эпидемиологии вирусных инфекций (источники инфекции, пути проникновения вирусов), классификация вирусных инфекций, эпидемический процесс

Экологическая ниша вирусов – это многокомпонентная система взаимосвязанных элементов, включающая клетку, организм, популяцию хозяина, переносчиков, другие вирусы и внешнюю среду. Для сохранения вируса как биологического вида необходима его последовательная передача от хозяина к хозяину. Передача происходит по горизонтальному и вертикальному направлениям, что имеет место не только в популяциях человека и животных, но и среди бактерий, насекомых, растений, грибов.

Горизонтальная передача – рассеивание возбудителей среди восприимчивых хозяев с использованием различных механизмов и путей, во многом определяемых средой обитания и особенностями жизнедеятельности организма-хозяина.

Вертикальная передача – это передача возбудителя от родителей потомству, которая также может осуществляться различными путями, и предполагает сохранение вируса в ряду поколений.

Бактериофаги в природных условиях встречаются в тех местах, где есть чувствительные бактерии (в воде, почве, выделениях человека и животных), которые инфицируются вирусом при случайных контактах и распространяются водными потоками или путями, используемыми хозяином. Применение бактериофагов в качестве лечебных препаратов значительно увеличило интенсивность циркуляции вирусов бактерий в биосфере. Возможно распространение бактериофагов воздушным путем, что создает определенные трудности при работе с бактериальными культурами в научно-исследовательских лабораториях.

Вирусы насекомых инфицируют хозяина в процессе его питания и размножения. Различают трасспермальную, трансовариальную и трансстадийную (в процессе метаморфоза) передачи вируса. Распространяются вирусы в процессе миграций насекомых.

Распространение вирусов позвоночных осуществляется с использованием механизмов, которые реализуются различными путями, и часто включают внешнюю среду и промежуточных хозяев вируса. Важную роль в распространении вирусов играют миграционные процессы, наблюдаемые среди людей и животных.

Распространение вирусов в человеческой популяции имеет свои особенности. В соответствии с четырьмя основными типами локализации возбудителя в организме (дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, кровь, наружные покровы) выделены несколько механизмов передачи вирусов.

Трансмиссивный механизм – передача с помощью биологических переносчиков. При любом варианте такой передачи вирус черпается переносчиком из внутренних сред донора и внедряется во внутреннюю среду реципиента.

Парентеральный механизм – передача вирусов через кровь. Вирусы, циркулирующие в крови, могут передаваться в процессе переливаний крови, при использовании загрязненных шприцев и других медицинских инструментов (искусственный путь), в процессе сексуальных контактов (половой путь) и другими путями.

Алиментарный (энтеральный) механизм – вирус проникает через слизистые оболочки органов пищеварения. Разновидностью алиментарного механизма является фекально-оральный механизм передачи вируса.

Аэрогенный механизм –входными воротами инфекции являются слизистые органов дыхания. Реализуется воздушно-капельным или пылевым путем.

Контактный механизм – реализуется через кожные покровы. Такой механизм передачи могут использовать очень немногие вирусы. Так, например, вирус бешенства может проникать в организм животного и человека при ослюнении кожных покровов. Слюна собак содержит гиалуронидазу, которая облегчает проникновение вируса в кровь через кожу.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Вирусы: виды, устройство и способы заражения клетки

✪ Неклеточные формы жизни. Вирусы и бактериофаги. Видеоурок по биологии 10 класс

✪ Лечение бактериофагами: когда антибиотики уже не помогают

✪ ИНВИСТРА. Микробиолог Чубатова Бактериофаги. mp4

✪ Большой скачок. Победители бактерий

Субтитры

Вирус - это неклеточный инфекционный агент. Живой это организм или нет? У нас до сих пор нет однозначного ответа на этот вопрос. Сегодня нам известно 6 000 вирусов, но их существует несколько миллионов. Вирусы не похожи друг на друга и могут иметь как форму сферы или спирали, так и форму сложного асимметричного сплетения. Размер вирусов варьируется от 20 до 300 нанометров в диаметре. Как устроен вирус? В центре агента - генетический материал - РНК или ДНК. Вокруг располагается белковая структура - капсид. Капсид служит для защиты вируса и помогает при захвате клетки. Некоторые вирусы дополнительно покрыты липидной оболочкой - жировой структурой, которая защищает их от изменений окружающей среды. Вирусолог Девид Балтимор объединил все вирусы в 8 групп. Некоторые группы вирусов содержат в себе одну или две цепочки ДНК, другие - одну цепочку РНК, которая может удваиваться или достраивать на своей матрице ДНК. При этом каждая группа вирусов воспроизводит себя в различных органеллах зараженной клетки. Каждый вирус имеет определенный диапазон хозяев, то есть опасен для одних видов и безвреден для других. Например, оспой болеет только человек, а чумкой - некоторые плотоядные. В организм человека вирус обычно попадает через кровь и секрецию. Каждый вирус по-разному заражает клетку. Герпес-вирусы встраиваются в мембрану, после чего генетический материал отбрасывает капсид и проникает в ядро. Вирус гепатита С целиком проникает в клетку, а бактериофаги впрыскивают свой генетический материал внутрь бактерии и оставляют белковую оболочку снаружи. Геном вируса встраивается в одну из органелл или цитоплазму и превращает клетку в настоящий вирусный завод. Естественные процессы в клетке нарушаются, и она начинает заниматься производством и сборкой генома и белка вируса. Этот процесс называется репликацией, и его основная цель - захват территорий. Во время репликации генетический материал вируса смешивается с генами клетки хозяина. Это приводит к активной мутации вируса и повышает его выживаемость. Когда процесс репликации налажен, вирусная частица отпочковывается и заражает новые клетки, а инфицированная клетка продолжает производство. По другому сценарию происходит лизис, то есть клетка разрывается, а зараженный организм наполняется новыми вирусами. Почему с вирусами так тяжело бороться? Эволюция вирусов происходит буквально на наших глазах. Идет постоянная гонка вооружений между вирусами и живыми организмами, и, когда вирус изобретает новое оружие, возникает пандемия. Людям уже удалось победить некоторые вирусы, такие как вирус черной оспы, но другие требуют ежегодной разработки или открытия новых вакцин.

История

Также Феликс Д’Эрелль выдвинул предположение, что бактериофаги имеют корпускулярную природу. Однако только после изобретения электронного микроскопа удалось увидеть и изучить ультраструктуру фагов. Долгое время представления о морфологии и основных особенностях фагов основывались на результатах изучения фагов группы Т - Т1, Т2,…, Т7, которые размножаются на Е. coli штамма B. Однако с каждым годом появлялись новые данные, касающиеся морфологии и структуры разнообразных фагов, что обусловило необходимость их морфологической классификации.

Роль бактериофагов в биосфере

Шаблон:Биофото Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространённую в биосфере и, предположительно, наиболее эволюционно древнюю группу вирусов . Приблизительный размер популяции фагов составляет более 10 30 фаговых частиц .

В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т. д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги. Так, фаги, лизирующие клетки всех видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно богаты фагами чернозёмы и почвы, в которые вносились органические удобрения.

Бактериофаги выполняют важную роль в контроле численности микробных популяций, в автолизе стареющих клеток, в переносе бактериальных генов, выступая в качестве векторных «систем» .

Действительно, бактериофаги представляют собой один из основных подвижных генетических элементов. Посредством трансдукции они привносят в бактериальный геном новые гены. Было подсчитано, что за 1 секунду могут быть инфицированы 10 24 бактерий . Это означает, что постоянный перенос генетического материала распределяется между бактериями, обитающими в сходных условиях.

Высокий уровень специализации, долгосрочное существование, способность быстро репродуцироваться в соответствующем хозяине способствует их сохранению в динамичном балансе среди широкого разнообразия видов бактерий в любой природной экосистеме. Когда подходящий хозяин отсутствует, многие фаги могут сохранять способность к инфицированию на протяжении десятилетий, если не будут уничтожены экстремальными веществами либо условиями внешней среды .

Строение бактериофагов

Шаблон:Биофото Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2-4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал - одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой - капсидом , сохраняющим геном вне клетки .

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные .

Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку - продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные .

Головка округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45-140 нм. Отросток толщиной 10-40 и длиной 100-200 нм. Одни из бактериофагов округлы, другие нитевидны, размером 8x800 нм. Длина нити нуклеиновой кислоты во много раз превышает размер головки, в которой находится в скрученном состоянии, и достигает 60-70 мкм. Отросток имеет вид полой трубки, окружённой чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда вирусов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные нити, способствующие прикреплению фага к бактерии. Общее количество белка в частице фага - 50-60 %, нуклеиновых кислот - 40-50 %.

Систематика бактериофагов

Большое количество выделенных и изученных бактериофагов определяет необходимость их систематизации. Этим занимается Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). В настоящее время, согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов, бактериофаги разделяют в зависимости от типа нуклеиновой кислоты и морфологии.

На данный момент выделяют девятнадцать семейств. Из них только два РНК-содержащих и только пять семейств имеют оболочку. Из семейств ДНК-содержащих вирусов только два семейства имеют одноцепочечные геномы. У девяти ДНК-содержащих семейств геном представлен кольцевой ДНК, а у других девяти - линейной. Девять семейств специфичны только для бактерий, остальные девять только для архей, а (Tectiviridae ) инфицирует как бактерий , так и архей .

ICTV классификация вирусов бактерий и архей

Порядок	Семейство	Морфология	Нуклеиновая кислота	Пример
Caudovirales	Myoviridae	Без оболочки , сократительный хвост	Линейная дцДНК	Фаг Т4 , фаг μ, PBSX, P1Puna-like, P2, I3, Bcep 1, Bcep 43, Bcep 78
	Siphoviridae	Без оболочки, несократительный хвост (длинный)	Линейная дцДНК	Фаг λ , фаг T5, phi, C2, L5, HK97, N15
	Podoviridae	Без оболочки, несократительный хвост (короткий)	Линейная дцДНК	Фаг T7, фаг T3, P22, P37
Ligamenvirales	Lipothrixviridae	В оболочке, палочкообразные	Линейная дцДНК	Вирус ""Acidianus filamentous"" 1
	Rudiviridae		Линейная дцДНК	Палочкообразный вирус ""Sulfolobus islandicus"" 1
Неизвестен	Ampullaviridae	В оболочке, бутылкообразные	Линейная дцДНК
	Bicaudaviridae	Без оболочки, лемонообразные	Кольцевая дцДНК
	Clavaviridae	Без оболочки, палочкообразные	Кольцевая дцДНК
	Corticoviridae	Без оболочки, изометрические	Кольцевая дцДНК
	Cystoviridae	В оболочке, сферические	Сегментированная дцРНК
	Fuselloviridae	Без оболочки, лемонообразные	Кольцевая дцДНК
	Globuloviridae	В оболочке, изометрические	Линейная дцДНК
	Guttaviridae	Без оболочки, яйцевидные	Кольцевая дцДНК
	Inoviridae	Без оболочки, нитевидные	Кольцевая оцДНК
	Leviviridae	Без оболочки, изометрические	Линейная оцРНК	MS2, Qβ
	Microviridae	Без оболочки, изометрические	Кольцевая оцДНК	ΦX174
	Plasmaviridae	В оболочке, плеоморфные	Кольцевая дцДНК
	Tectiviridae	Без оболочки, изометрические	Линейная дцДНК

Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками

Шаблон:Биофото По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги . Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла . Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки .

Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс - созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц .

Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов . Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги . Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. В качестве альтернативы фаг может инициировать лизогенный цикл, при котором он вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды . Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определённых условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией или индукцией профага. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции .

Жизненный цикл

Умеренные и вирулентные бактериофаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой имеют одинаковый цикл.

• Адсорбция бактериофага на фагоспецифических рецепторах клетки.
• Инъекция фаговой нуклеиновой кислоты в клетку хозяина.
• Совместная репликация фаговой и бактериальной нуклеиновой кислоты.
• Деление клетки.
• Далее бактериофаг может развиваться по двум моделям: лизогенный либо литический путь. Умеренные бактериофаги после деления клетки находятся в состоянии профага (лизогенный путь). Вирулентные бактериофаги развиваются по литической модели:
• Нуклеиновая кислота фага направляет синтез ферментов фага, используя для этого белоксинтезирующий аппарат бактерии. Фаг тем или иным способом инактивирует ДНК и РНК хозяина, а ферменты фага совсем расщепляют её; РНК фага «подчиняет» себе клеточный аппарат синтеза белка.
• Нуклеиновая кислота фага реплицируется и направляет синтез новых белков оболочки. Образуются новые частицы фага в результате спонтанной самосборки белковой оболочки (капсид) вокруг фаговой нуклеиновой кислоты; под контролем РНК фага синтезируется лизоцим.
• Лизис клетки: клетка лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200-1000 новых фагов; фаги инфицируют другие бактерии.

Применение

В медицине

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков . Например, применяются бактериофаги: стрептококковый , стафилококковый , клебсиеллёзный , дизентерийный поливалентный, пиобактериофаг, коли, протейный и колипротейный и другие. В России зарегистрировано и применяется 13 медицинских препаратов на основе фагов . В настоящее время их применяют для лечения бактериальных инфекций, которые не чувствительны к традиционному лечению антибиотиками, особенно в республике Грузия . Обычно, применение бактериофагов сопровождается большим, чем антибиотики, успехом там, где присутствуют биологические мембраны, покрытые полисахаридами, через которые антибиотики обычно не проникают . В настоящее время терапевтическое применение бактериофагов не получило одобрения на Западе , хотя и применяются фаги для уничтожения бактерий, вызывающих пищевые отравления, таких, как листерии . В многолетнем опыте в объёме крупного города и сельской местности доказана необычайно высокая лечебная и профилактическая эффективность дизентерийного бактериофага (П. М. Лернер , 2010) [ ] . В России терапевтические фаговые препараты делают давно, фагами лечили ещё до антибиотиков. В последние годы фаги широко использовали после наводнений в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию.

В биологии

Бактериофаги применяются в генной инженерии в качестве векторов , переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция).

Фаговые векторы обычно создают на базе умеренного бактериофага λ , содержащего двухцепочечную линейную молекулу ДНК. Левое и правое плечи фага имеют все гены, необходимые для литического цикла (репликации, размножения). Средняя часть генома бактериофага λ (содержит гены, контролирующие лизогению, то есть его интеграцию в ДНК бактериальной клетки) не существенна для его размножения и составляет примерно 25 тысяч пар нуклеотидов. Данная часть может быть заменена на чужеродный фрагмент ДНК. Такие модифицированные фаги проходят литический цикл, но лизогения не происходит. Векторы на основе бактериофага λ используют для клонирования фрагментов ДНК эукариот (то есть более крупных генов) размером до 23 тысяч пар нуклеотидов (т. п. н.). Причём, фаги без вставок - менее 38 т. п. н. или, напротив, со слишком большими вставками - более 52 т. п. н. не развиваются и не поражают бактерии .

Поскольку размножение бактериофага возможно только в живых клетках, бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий. Данное направление имеет большие перспективы, поскольку, одним из основных вопросов при разных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур. С помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий была показана возможность изучения этапов взаимодействия фаг-микробная клетка .

См. также

Примечания

1. Сергей Головин Бактериофаги: убийцы в роли спасителей // Наука и жизнь . - 2017. - № 6. - С. 26-33
2. Félix d"Hérelles (1917). “Sur un microbe invisible antagoniste des bacilles dysentériques” . Comptes rendus Acad Sci Paris . 165 : 373-5. Архивировано из оригинала (PDF) 4 December 2010. Дата обращения 5 September 2010 .
3. Вирусы бактерий
4. Бактериофаг
5. Ackermann H.-W. // Res. Microbiol., 2003. - V. 154. - P. 245-251
6. Hendrix R.W. // Theor. Popul. Biol., 2002. - V. 61. - P. 471-480
7. Suttle C.A. (September 2005), Vuiruses in the sea. Nature 437:356-361.
8. Шестаков С. В. Как происходит и чем лимитируется горизонтальный перенос генов у бактерий. Экологическая генетика 2007. - Т. 5. - № 2. - C. 12-24.
9. Tettelin H., Masignani V., Cieslewicz M. J., Donati C., Medini D., Ward N. L., Angiuoli S. V., Crabtree J., Jones A. L., Durkin A. S., Deboy R. T., Davidsen T. M., Mora M., Scarselli M., Margarit y Ros I., Peterson J. D., Hauser C. R., Sundaram J. P., Nelson W. C., Madupu R., Brinkac L. M., Dodson R. J., Rosovitz M. J., Sullivan S. A., Daugherty S. C., Haft D. H., Selengut J., Gwinn M. L., Zhou L., Zafar N., Khouri H., Radune D., Dimitrov G., Watkins K., O’Connor K. J., Smith S., Utterback T. R., White O., Rubens C. E., Grandi G., Madoff L. C., Kasper D. L., Telford J. L.,. Wessels M. R, Rappuoli R., Fraser C. M. Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial «pan-genome.» Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005. 102: 13950-13955

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты 5 , морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Рис. 2. Строение бактериофага

1 – головка, 2 – хвост, 3 – нуклеиновая кислота, 4 – капсид, 5 – «воротничок», 6 – белковый чехол хвоста, 7 – фибрилла хвоста, 8 – шипы, 9 – базальная пластинка.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2 – 4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал – одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окруженная белковой или липопротеиновой оболочкой – капсидом, сохраняющим геном вне клетки.

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные. Хвост представляет собой белковую трубку - продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками

По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла. Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки.

Рис. 3. Адсорбция бактериофагов на поверхности бактериальной клетки

Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остается снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс - созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц.

Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги. Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. В качестве альтернативы фаг может инициировать лизогенный цикл, при котором он вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определенных условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией или индукцией профага. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место быть в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции.

Бактериофаги это вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Бактериофаги размножаются в бактериях и вызывают их растворение. Как правило бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала – одноцепочечной или двуцепочечной РНК. Размер частиц приблизительно от 20 до 200 нанометров.

Жизненный цикл бактериофага

1. Фаг приближается к бактерии, и хвостовые нити связываются с рецепторными участками на поверхности бактериальной клетки.
2. Хвостовые нити изгибаются и «заякоривают» шипы и базальную пластинку на поверхности клетки; хвостовой чехол сокращается, заставляя полый стержень входить в клетку; этому способствует фермент лизоцим, который находится в базальной пластинке; таким образом нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) вводится внутрь клетки.
3. Нуклеиновая кислота фага кодирует синтез ферментов фага, используя для этого белоксинтезирующий аппарат хозяина.
4. Фаг тем или иным способом инактивирует ДНК и РНК хозяина, а ферменты фага совсем расщепляют её; РНК фага подчиняет себе клеточный аппарат.
5. Нуклеиновая кислота фага реплицируется и кодирует синтез новых белков оболочки.
6. Новые частицы фага, образовавшиеся в результате спонтаной самосборки белковой оболочки вокруг фаговой нуклеиновой кислоты; под контролем РНК фага синтезируется лизоцим.
7. Лизис клетки: клетка лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200-1000 новых фагов; фаги инфицируют другие бактерии.
8. Стадии 1-7 по времени занимают около 30 минут; этот период называется латентным периодом.

Лечение бактериофагами

Бактериофаги используют для антибактериальной терапии, альтернативно приёму антибиотиков.

Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определенного вида, более того, существуют так наз. типовые бактериофаги, лизирующие варианты внутри вида.

Выявить бактериофаги можно путем нанесения содержащего бактериофаг материала на плотные питательные среды, засеянные газоном чувствительной бактериальной культуры. В том месте газона, куда попал бактериофаг, образуется стерильное пятно или бляшка – зона лизиса бактерий газона вследствие размножения бактериофага. Количество образовавшихся негативных колоний бактериофага соответствует количеству бактериофагов в материале.

Бактериофаги применяют для профилактики и лечения некоторых бактериальных инфекций. В последнее время интерес к ним возрос в связи с широким распространением лекарственно-устойчивых форм патогенных и условно-патогенных бактерий. Препараты бактериофагов выпускают в виде таблеток, мазей, аэрозолей, свечей, в жидком виде. Употребляют их для орошения, смазывания раневых поверхностей, вводят перорально, внутривенно и т.д.

У каждого обитателя Вселенной свое назначение: все в природе гармонично и взаимосвязано, все имеет свои логические связи и требует баланса, чтобы жить в равновесии и гармонии

Бактериофаги -(отбактерии и греч.fagos – пожиратель) – это особые представители царства вирусов.

Особенность бактериофагов в том, что они приспособились использовать для своего размножения клетки бактерий.

Эти маленькие создания потрясающе многообразны.

Вирусы бактериий, иначе называемые бактериофагами, – крупнейшая из известных групп вирусов.

Современная классификация бактериофагов включает 13 семейств, подразделенных более чем на 140 родов, которые содержат более 5300 видов фагов.

Применение современных электронных микроскопов позволило детально изучить строение фагов. Оказалось, что многие из них устроены сложнее, чем вирусы человека, животных и растений.

Как выглядят бактериофагии?

Они очень маленькие, самые мелкие – не имеют и клеточки. Размер фага 0,1-0,2 миллимикрона (миллионные доли миллиметра!), что примерно составляет 1/1000 часть от бактериальной клетки величиной около 5 микрон.

Выглядят фаги необычно. Есть среди них и такие, что похожи на маленькие космические станции: аккуратные кристаллы с четкими гранями, стоящие на ножках-фибриллах. Стенки «корпуса» кристалла выстроены из молекул белка, а внутри конструкции находится генная информация фага – ДНК или РНК

Где живут бактериофаги «на воле»?

У них очень разная морфология, и среда обитания. Они живут везде, где есть бактерии – в воде, в почве, в каплях дождя, на поверхностях предметов, овощей, фруктов, на шерсти животных, на коже человека и внутри организма.

Чем богаче среда микроорганизмами, тем больше в ней фагов. Особенно много фагов в черноземе и почвах, в которые вносились органические удобрения. В 1 мм3 обыкновенной воды – около миллиарда фагов.

Человек и Бактериофаг

Человек уже не пьет сырую воду из рек, не моется в естественных водоемах. Когда вода попадает в водопровод, то она обязательно проходит жесткую систему обработки хлорирования. И, фактически, все живые существа, которые живут в воде, гибнут.

Да, мы избавляемся от очень многих вредных микробов, но, к сожалению, мы избавляемся и от наших микро друзей.

Почему так страшно использовать антибиотики, когда они не показаны, когда человек еще не настолько болен, что ему нужны такие радикальные мощные средства? Потому что антибиотики затрагивают всю популяцию бактерий и нормофлору.

Бактериофаги – естественные ограничители популяции бактерий.

Каждый бактериофаг проникает в «свою» бактерию путем специального механизма и начинает там размножаться. Размножается он там до тех пор, пока не разорвет бактерию и не выйдет наружу. И тогда уже много бактериофагов начинают искать себе бактерии для того, чтобы в ней воспроизвестись.

От бактерии остаются лишь обломки, зато на свет появляются не менее 100-200 новых фагов, готовых к нападению. Цикл – время с момента заражения бактерии до выхода потомства – длится всего от 15 до 40 минут в зависимости от вида фага.

Фаги строго избирательны.

Ученые даже не стали присваивать фагам имена: гораздо удобнее называть фага по имени бактерии. Есть фаги стрептококковые, фаги дизентерийные, фаги стафилококковые и т.д., они существуют благодаря бактериям. Где есть бактерии, там есть и фаги: в почве, воде ручья, озера, внутри организма и на коже человека, животного.

В микромире фаги играют роль естественных ограничителей численности бактерий. Количество фагов колеблется в зависимости от количества бактерий.

Если количество нужных фагу бактерий снижается, то и фагов становится меньше, иначе им негде будет размножаться. Поэтому фаги ограничивают, но не уничтожают полностью популяцию бактерий.

Соотношение фагов и соответствующих бактерий находится в таком же балансе, как и соотношение хищников и грызунов в макромире.

Что говорят специалисты.

Прогноз инфекционистов: «Фаготерапия в скором времени станет прорывом в борьбе с инфекциями.

Прогноз иммунологов : «Фаготерапия займет ту нишу, где несостоятельна современная иммунотерапия»

Прогноз аналитиков : «В течение пяти лет производство бактериофагов станет одной из лидирующих отраслей в фармацевтической промышленности»

История бактериофагов.

1896 год -открытие бактериофагов Британским бактериологом Эрнестом Ханкин 1898 год – бактериофаги исследованы российским ученым Николаем Гамалея.В этом же году фаги стали использовать при лечении ран и различных инфекций. 1920-е годы – Феликс д"Эрель – канадский сотрудник Института Пастера (Париж) назвал бактериофаги «бактериофагами» и охарактеризовал их: «вирусы, размножающиеся в бактериях».

1940-е годы . Везде, кроме СССР разработки бактериофагов вычеркнуты из числа перспективных исследований. В СССР исследования продолжаются

Во всем мире популярность приобретает метод применения антибиотиков.

1980-е годы Эффективность лечения антибиотиками значительно понизилась Бактерии выработали лекарственную устойчивость.

Интерес к фаговой терапии возобновился

Начало 2000-х годов – Гленн Моррис – сотрудник Университета Мэриленд (США) совместно с НИИ бактериофагов, микробиологии и вирусологии в Тбилиси наладил испытания фаговых препаратов для получения лицензии на их применение в США. Июль 2007 года - бактериофаги одобрены для использования в США На протяжении последних нескольких лет исследования свойств бактериофагов проводятся в России, Грузии, Польше, Франции, Германии, Финляндии, Канаде, США, Великобритании, Мексике, Израиле, Индии, Австралии.

Изучение свойств фагов способствовало развитию концепции фаготерапии.

Преимущества Бактериофагов

• действуют лишь на определенные бактерии,
• не нарушают баланса высшего организма,
• постоянно эволюционируют,
• не ослабляют иммунитет,
• не развивают устойчивость бактерий

Альтернатива антибиотикам

• бактериофаги способны уничтожать бактерии, устойчивые к антибиотикам,
• усложняют выработку бактерией механизма устойчивости,
• хорошо проникают в ткани организма человека и животного,
• не подавляют рост нормофлоры,
• не вызывают побочных эффектов,
• сочетаются с любыми лекарственными
• препаратами, оказывают иммуностимулирующее действие.

В Ветеринарии

Профилактика и лечение бактериальных заболеваний птиц и животных

• Лечение гнойно-воспалительных заболеваний слизистых глаз, полости рта
• Профилактика гнойно-воспалительных осложнений при ожогах, ранениях, операционных вмешательствах

В Генной инженерии

Фаги- это идеальный объект для генетических манипуляций.

• для трансдукции- естественной передачи генов между бактериями
• как векторы, переносящие участки ДНК

С помощью фагов можно конструировать направленные изменения в геноме хозяйской ДНК.

В Пищевой промышленности

• В массовом порядке фагосодержащими средствами уже обрабатывают готовые к употреблению продукты из мяса и домашней птицы.
• В разработке – фаговый раствор для распыления на мясе и мясной продукции в убойных цехах.
• Бактериофаги применяют в производстве продуктов питания из мяса, мяса птицы, сыров, растительной продукции, и пр.

В Сельском хозяйстве

• Распыление фагопрепаратов для защиты растений и урожая от гниения и бактериальных заболеваний
• Применение фагопрепаратов для защиты скота иптицы от инфекций и бактериальных заболеваний

Для Экологической безопасности

• антибактериальная обработка семян и растений
• очистка помещений пищеперерабатывающих предприятий
• санитарная обработка рабочего пространства и оборудования
• профилактика помещений больниц
• проведение экологических мероприятий