Бактериофаги

АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО»

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ

ПО МИКРОБИОЛОГИИ

БАКТЕРИОФАГИ

Нижний Новгород

2009г

СОДЕРЖАНИЕ

1.      Введение…………………………………………………………...………….3

2.      Целебные воды реки Ганг……………………………………………………4

3.      Строение бактериофага……………………………………..………………..5

4.      Адсорбция…………………………………………………………………….7

5.      Внутриклеточное развитие фага…………….……………………………....8

6.      Применение………………………………………………………………....10

7.      Заключение………………………………………………………………….11

8.      Список литературы………………………………………………………....13

ВВЕДЕНИЕ

Вирусы способны вносить генетический материал в чувствительные к ним клетки и затем репродуцироваться в этих клетках. Так, например, вирус СПИД, HIV, избирательно инфицирует Т- лимфоциты человека, имеющие специфический белок CD4. Каждый вирус состоит из носителя генетической информации, определяющего все его свойства, упакованного в белковую оболочку. В случае бактериофагов мишенями являются определенные типы бактериальных клеток.

Бактериофаги (от бактерии и греч . phagos - пожиратель) (фаги), вирусы бактерий; способны поражать бактериальную клетку, репродуцироваться в ней и вызывать ее лизис. Бактериофаги широко распространены в природе. Везде, где имеются бактерии, удается обнаружить и паразитирующие в них бактериофаги.

ЦЕЛЕБНЫЕ ВОДЫ РЕКИ ГАНГ

Ещё в 1896 году британский бактериолог Эрнест Ханкин (Ernest Hanbury Hankin, 1865–1939) сообщил, что воды рек Ганг и Джамна в Индии обладают значительной антибактериальной активностью, которая сохраняется после прохождения через фарфоровые фильтры с порами очень малого размера, но устраняется при кипячении. Ханкин предположил, что некая субстанция в этой воде ответственна за предупреждение распространения эпидемий холеры, которые могут быть вызваны употреблением воды из этих рек.

В 1915 году британский бактериолог Фредерик Творт (Frederick William Twort, 1877–1950) обнаружил вирусы, которые уничтожали бактерий. А в сентябре 1917 года учёный из Института Пастера (Institut Pasteur) Феликс Д'Эрель (Felix Hubert d’Herelle, 1873–1949) представил Французской академии наук (Academie des Sciences) доклад, в котором сообщил о том, что обнаружил «невидимого микроба», поражающего дизентерийную палочку. Учёный назвал своё детище «бактериофагом», то есть «поедателем бактерий». Вскоре после этого Д'Эрель описал случай успешного лечения дизентерии с помощью своего «поедателя». Микробиология тогда была в моде и переживала свой «золотой век», идея терапевтического применения бактериофагов была очевидна.

Изучением бактериофагов одновременно с исследователями из Института Пастера занимался и грузинский микробиолог Георгий Элиава. В 1920-е годы в Тбилиси он открыл институт, который занялся исследованиями фагов с целью их терапевтического применения и стал мировым лидером в этой области. В 1940-е годы фармацевтическая компания Eli Lilly занималась коммерциализацией фаговой терапии в США, однако бизнесмены и врачи потеряли к ней интерес после распространения антибиотиков.

Однако в 1980-е годы эффективность лечения антибиотиками значительно понизилась. Бактерии, резистентные к большинству известных антибиотиков, вызывают все более серьезные проблемы. Несмотря на интенсивную работу фармацевтических кампаний, за последние 30 лет не было найдено новых классов антибиотиков. Интерес к фаговой терапии стал возрастать.

В начале 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. А в июле 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.

СТРОЕНИЕ БАКТЕРИОФАГА

Схема строения одного из видов бактериофага, поражающего кишечную палочку. Диаметр его головки - от 45 до 140 миллиардной части метра, длина - 100-200 этих же долей. ДНК скручена в спираль и спрятана в головке, ее длина достигает 60-70 микрон. Некоторые бактериофаги содержат в головке только РНК - рибонуклеиновую кислоту.

Размер фага 0,1-0,2 миллимикрона (миллионные доли миллиметра!), что примерно составляет 1/1000 часть от бактериальной клетки величиной около 5 микрон. Типичная фаговая частица похожа на головастика и состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2-4 раза больше диаметра головки.  В головке содержится ДНК, окруженная оболочкой – капсидом. Капсид  состоит из субъединиц – капсомеров. Он имеет чаще всего симметричное строение. Различают два вида симметрии – спиральную и кубическую.

Хвост представляет собой белковую трубку – продолжение белковой оболочки головки сверху окруженную сократимым чехлом. На дистальном конце хвоста расположена базальная пластинка с шипами и хвостовыми фибриллами. Длинные нити (фибриллы) отростка служат для специфического узнавания фагом определенных участков на поверхности клетки-хозяина, к которым он прикрепляется. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

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

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), морфологии и характеру взаимодействия с микробной клеткой.

По признаку специфичности выделяют:

- поливалентные бактериофаги, лизирующие культуры одного семейства или рода бактерий;

- моновалентные (монофаги) — лизирующие культуры только одного вида бактерий;

- типовые бактериофаги, способные вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры внутри вида бактерий.

По характеру взаимодействия фага с клеткой все бактериофаги делятся на вирулентные (литические) и умеренные (лизогенные).

Фаги, как и другие вирусы, неподвижны. Фаговые частицы, в результате случайных столкновений с бактериальными клетками прикрепляются к поверхности последних (адсорбция) и вводят в клетку свою ДНК (инъекция).

АДСОРБЦИЯ

Адсорбция фага на поверхности клетки происходит в результате взаимодействия рецепторов, локализованных на хвостовых фибриллах, с рецепторами на поверхности бактериальной клетки. Рецепторы на поверхности бактериальной клетки располагаются в липопротеиновом или липополисахаридном слое.                                                                 

Различают обратимые и необратимые фазы адсорбции. Обратимая фаза адсорбции характеризуется тем, что фиксированные частицы фага можно отделить от клетки путем энергичного помешивания, встряхивания или резкого уменьшения концентрации ионов. За фазой обратимой адсорбции наступает необратимая адсорбция, когда фаг не отделяется от тела бактерии. Фаза адсорбции зависит от состава и вязкости среды, температуры.

Из оболочки бактерий, чувствительных к фагу, удается  экстрагировать  специфическое вещество, способное  инактивировать фаг.  Возможно, это вещество является самим  рецептором или  компонентом  рецепторной структуры на поверхности бактерий. Сами по себе рецепторы, по-видимому, способствуют лишь первому обратимому этапу  адсорбции.

За адсорбцией следует инъекция, т.е. введение ДНК в клетку. Для этого этапа взаимодействия фага с бактерией необходимо правильное пространственное положение базальной пластинки отростка, что в свою очередь, обеспечивается, вероятно, контактом всех шести нитей с рецепторами клетки. По-видимому, прикрепление фаговой частицы с помощью нитей отростка позволяет ей производить определенные скользящие движения по поверхности клетки, пока не будет найден участок, через который можно ввести ДНК.

Проникновение фагового генома в клетку сопровождается физическим отделением нуклеиновой кислоты от большей части капсидных белков, которые остаются снаружи.

Кроме фаговой нуклеиновой кислоты внутрь бактериальной клетки инъецируется также небольшое количество белка и некоторые другие вещества, в том числе олигопептиды и полиамины. Роль этих веществ в процессе развития фага неизвестна, некоторые из них являются  остатками протеолиза капсидных белков при сборке вирионов.

ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ РАЗВИТИЕ ФАГА.

Инъецированная ДНК фага, прежде всего, вызывает полную перестройку метаболизма зараженной клетки. Сначала, прекращается синтез бактериальной ДНК. Через несколько минут прекращается также синтез бактериальной РНК и бактериальных белков, хотя общее количество белка продолжает непрерывно возрастать. Синтез ДНК возобновляется, с повышенной скоростью. Сначала фаговая ДНК образуется за счет распавшейся бактериальной. Необходимые для синтеза фаговой ДНК ферменты образуются уже вскоре после заражения, это так называемые «ранние белки». К «поздним белкам» относятся белки оболочки и Фаговые лизоцимы, или эндолизины; они образуются во второй половине скрытого периода.

Заключительный процесс-созревание - состоит в соединении фаговой ДНК с белком оболочки и образовании зрелых инфекционных фаговых частиц. Сначала образуются капсиды, наполненные внутри белками. После растворения этих внутренних белков готовые головки наполняются ДНК до определенной плотности и закрываются. После этого пристраиваются компоненты отростка.

В конце концов, клеточная стенка бактерии размягчается под действием фагового лизоцима, и новые фаги освобождаются. Продолжительность латентного периода и величина урожая фаговых частиц варьирует в широких пределах, в зависимости от вида фага, вида бактерии и условий среды.

Этапы внедрения фага в бактериальную клетку и ее разрушения.

Бактериофаги, способные репродуцироваться (воспроизводиться) в бактерии, разрушать их и выходить при этом в виде полноценных частиц в среду, называются вирулентными фагами: Наряду с такими фагами существуют и другие, называемые умеренными. ДНК умеренных фагов после заражения клетки внедряется в ДНК самих бактерий, не нарушая их жизнедеятельности. Она удваивается в составе бактериальной хромосомы при делении клетки, т.е. передается потомству. Бактерия, в ДНК которой присутствует ДНК умеренного фага, называется лизогенной, а фаговая ДНК, объединенная с бактериальной ДНК, профагом. Под действием различных факторов, а иногда спонтанно, может происходить превращение профага в вегетативную форму, сопровождающееся размножением бактериофага, лизисом клетки и выходом бактериофагов из клетки.

Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определенного вида. Второе достоинство фагов. Их действия в организме точно укладываются в тот срок, который необходим для уничтожения вторгшейся в него инфекции. Они размножаются в организме больного за счет материала, взятого из тела бактерии, которая ими атакована. Если в крови растет число возбудителей болезни, то и растет число фагов. Когда же такие бактерии уничтожены, воспроизводство фагов прекращается само по себе.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

Бактериофаги находят широкое практическое применение.

Их используют в методе фаготипирования; в генной инженерии. Бактериофаги применяют для антибактериальной обработки семян и растений, для очистки пищеперерабатывающих предприятий, медицинских учреждений и др. - как средство обеспечения экологической безопасности.

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, альтернативная приёму антибиотиков. К преимуществам бактериофаговых препаратов относятся: