Біологія та екологія бактеріофагів

До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують вібріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700—850 нм), які складаються з трубкоподібного капсиду зі спіральним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.

Рис 5. Структура бактеріофага Т2:

А — електронна фотографія фага Т2, Б — схема структури: 1 — білкові субодиниці капсиду; 2 — головка фага; 3 — ДНК; 4 — відросток; 5 — футляр, 6 — стрижень; ?— пластинка з шістьма зубцями, 8 — нитки виростка

Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної форми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві підгрупи. Фаги першої підгрупи (S13, φ x 174 та ін.) мають одноланцюгову ДНК, а фаги другої підгрупи — f2, fr, MS2, R17, М12 — РНК.

До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актиноміцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка виділяють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm. typhimurium) — короткий відросток з базальною пластинкою.

До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відростком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, λ та інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.

Рис. 6. Схематичне зображення представників різних груп фагів (за А.С.Тихоненком, 1968)

П'яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чохла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені (фаг Т2 та інші Т-парні фаги, рис. 7).

Рис. 7. Днк, яка звільнилася з головки фага Т2 під дією осмотичного шоку

2.2 Хімічний склад фагів

Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простий; по суті фаги є нуклеопротеїдами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутрішній білок (3-7 % загального вмісту білка). У фагів виявлено ферменти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нуклеаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клітиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо.

Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кислоти. У фагів, як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага.

У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5—10,5 %), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу.

2.3 Антигенні властивості фагів

Бактеріофаги володіють антигенними властивостями. При багаторазовому парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки називають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з відповідними фагами звичайні серологічні реакції — аглютинації, преципітації, зв'язування комплементу, а також спричинюють нейтралізацію літичної активності фагів. Антифагові сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при серологічній класифікації фагів.

2.4 Взаємодія фагів з бактеріями

В цьому процесі розрізняють два типи взаємодії — літичний і лізигенний . Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої клітини і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.

Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин; 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину; 3) латентний період (екліпс) внутрішньоклітинного розвитку фага; 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів.

Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів — адсорбцію. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна пластинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах — специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв'язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.

Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спостерігати в електронний мікроскоп (рис. 8). Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.

Рис. 8. Електронна фотографія частково лізованої клітини Escherichia coli, до поверхні якої прикріпилися вібріони фага Т4 (за С. Лурія і Дж.Дарнеллом, 1970)

Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермен-та типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбувається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі детально не з'ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фагочутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фагами, в яких відростки не скорочуються.

З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною — латентний (прихований) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15—40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інформації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бактеріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових частинок фага.

На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини.

Дещо пізніше в клітині починається синтез “пізніх” білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: головок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага відповідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох десятків до кількох сотень фагових частинок.

Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з'являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на субклітинному молекулярному рівні.

Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.

Водночас із формуванням дозрілих вібріонів у бактеріальній клітині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінки; з їхньою допомогою здійснюється четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною — лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів назовні (рис. 9).

Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними є й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нормально розмножується і стає носіями відповідних помірних або симбіотичних фагів. Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізогенії.

Докладне вивчення показало, що існують псевдолізогенні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Переважна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тільки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні — це теорія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його.

Рис. 9. Схема циклу розмноження бактеріофага Т2:

1 — фаги оточили бактерію, 2 — вібріон фага прикріплюється до клітини, 3 — в клітину впорскується вірусна ДНК, 4 — капсид фага залишається ззовні бактерії, 5 — синтезуються нові молекули ДНК, 6 — утворюються білкові оболонки фагів, 7 — відбувається збирання нових вірюнів, S— бактерія руйнується (лізується), І вібріони фага виходять назовні.

Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізигенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної клітини, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізигенній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.

Важливою властивістю лізигенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв'язку з цим вивчення помірних фагів лізигенної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізигенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.

Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифтерійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пеніцилу тощо.

Профаг лізигенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в результаті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмножуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактеріцинів є дефектними фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.

Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенії, а й щодо з'ясування ролі профагів як додаткових генетичних факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізигенній клітині, дістали назву лізигенних конверсій. Слід зазначити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біології ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.

Розділ 3. Культивування, практичне значення вірусів та бактеріофагів

У 1932 p. E. Гудпасчером зі співавторами було запропоновано метод культивування вірусів в ембріонах курчат. Цей метод економічний і зручний. Його й нині широко застосовують для культивування багатьох вірусів тварин. Матеріал, що містить вірус, вводять за допомогою шприца або іншим шляхом у курячий ембріон на 8—12-й день його розвитку (рис. 10). Результати дослідів показали, що більшість видів вірусів добре розвивається в амніоні, жовтковому мішку, хоріоналантоїсній оболонці та інших частинах ембріона.

Рис. 10. Зараження курячого ембріона вірусним матеріалом (за Соколовим, 1968):

А — в алантоїсну порожнину; Б — в амніон відкритим способом; В — в амніон закритим способом

У 50-х роках у практику було впроваджено методи культивування клітинних культур, які істотно вплинули на розвиток вірусології. Тепер віруси успішно культивуються в культурах одношарових трипсинозованих клітин, які виготовляють з ембріональних тканин курей, кроликів, морських свинок, мишей, а також нирок мавп і ембріонів людини. Широко культивуються віруси і в так званих перещеплюваних культурах клітин — штамах тканин, злоякісних пухлин (Hela, Hep-2, KB) тощо. Велика перевага перещеплюваних клітинних ліній, в порівнянні з первинними культурами, полягає в тому, що їх можна розмножувати послідовним пасажуванням протягом тривалого часу.

Наприклад, культура клітин Hela, одержана Дж. Геймом з пухлини хворої жінки Генрієти Лекс ще в 1950 p., до сьогоднішнього часу пройшла тисячі генерацій і використовується нині у всіх вірусологічних лабораторіях світу.

Культури клітин використовуються не тільки для первинного виділення вірусу, але й для виробництва вакцин, коли необхідно одержати чималу масу вірусного матеріалу. Вирощування вірусів у клітинних культурах широко застосовується і для біохімічних досліджень.

Культивування вірусів проводять також в організмі чутливих лабораторних тварин, зокрема тих вірусів, які не вирощуються в клітинних культурах і ембріонах курчат. Так, для вивчення онкогенних вірусів використовують хом'ячків, агента куру і вірусу гепатиту — приматів, вірусів Коксакі та арбовірусів — мишей. За допомогою кроликів одержують антисироватки. Експерименти з вивчення механізмів патогенезу і ролі імунної відповіді можуть бути проведені тільки на лабораторних тваринах.

Культивування вірусів рослин. Для культивування фітопатогенних вірусів використовують сприйнятливі до них рослини, які вирощують у природних умовах або в теплицях і оранжереях.

Рослина, призначена для культивування певного вірусу, повинна бути: 1) придатною для нагромадження вірусу у великій кількості; 2) стійкою проти зараження іншими близькими вірусами; 3) не містити речовин, які здатні інактивувати або осаджувати вірус в екстракті; 4) стійкою проти обробки інсектофунгіцидами; 5) стійкою проти бактеріальних та грибкових захворювань.

Для культивування фітопатогенних вірусів найчастіше використовують молоді рослини, які добре ростуть, не мають будь-яких патологічних ознак і не містять у своїх клітинах високих концентрацій фенолів, слизів і камедей, рибонуклеази тощо, а також можуть інгібувати або незворотне осаджувати віруси. Такими рослинами, наприклад, можуть бути тютюн сорту Самсун для культивування вірусу тютюнової мозаїки, дурман для вирощування Х-вірусу картоплі. Тепер відома велика кількість рослин-індикаторів з різних ботанічних родин, що їх застосовують для культивування вірусів. Рослини-індикатори, умови, в яких вони вирощуються, і час, коли рослини можна використовувати для виділення вірусів, треба вибирати так, щоб вихідна концентрація вірусних частинок була якомога найвищою. За даними Р. Метьюза (1973), концентрація багатьох вірусів досягає максимуму через кілька днів або тижнів, а потім дуже швидко знижується.

Культивування бактеріофагів. Бактеріофаги — паразити бактерій та інших мікроорганізмів. їх, як і віруси, що уражають рослини й тварини, не культивують на штучних поживних середовищах. У природних умовах фаги трапляються там, де є чутливі до них бактерії. В лабораторних умовах їх вирощують тільки на чутливих до них бактеріях, від яких фагів можна відокремити і очистити фільтрацією, ультрацентрифугуванням та іншими методами.

Встановлено, що бактеріофаги певною мірою характеризуються як видовою, так і типовою специфічністю. Кожен окремий вид фага можна культивувати в клітинах одного виду або близько споріднених видів мікробів. Натомість фаги відзначаються високою адаптаційною здатністю. Поступовим пасеруванням певний вид фага можна привчити до культивування на інших видах бактерій.

Практичне застосування. Уперше різні фаги застосували Ф. д'Ерель та інші дослідники, вивчаючи кишкові Інфекції у людини. Практикувалось використання фагів також у хірургічній та акушерсько-гінекологічній практиці при Інфекційних процесах, які спричинюються стафілококами, анаеробними клостридіями, а також в офтальмології і стоматології. Поряд з цим нагромадилось багато даних про відсутність лікувального ефекту при застосуванні фагів. Вважають, що основною причиною цього є невдалий підбір фагів. Широке впровадження в практику сульфаніламідних препаратів і антибіотиків також зменшило інтерес до питань фагопрофілактики і фаготерапії бактеріальних інфекцій.

Фагопрофілактика і фаготерапія застосовуються і при різних захворюваннях тварин. При паратифі телят використовують гертнер-фаг, при захворюванні поросят — суйпестифер-фаг, при колібактеріозі — коліфаг та інші.

Бактеріофаги черевнотифозної сальмонели, кишкової палички та інших бактерій можуть міститися у воді річок, ставків, водосховищ, колодязів і в забруднених стічних водах. Виявлення фагів у воді або в ґрунті може бути показником забруднення цих середовищ відповідними бактеріями. Наприклад, виявлення коліфага є показником фекального забруднення води.

Поряд з цим слід зазначити, що фаги нерідко можуть завдавати й великої шкоди, зокрема при виробництві антибіотиків, молочнокислих продуктів, бактеріальних добрив, гальмуючи розвиток корисних мікробів. Зараження фагами бульбочкових бактерій, азотобактера та інших азотфіксаторів призводить до затримки їхнього розвитку, а це погіршує процес фіксації молекулярного азоту, а отже, негативно впливає на врожай.

Висновок

Специфічність вірусів у тому, що вони є особливою групою неклітинних форм життя, яким властивий строгий паразитизм на молекулярному, а часто й на молекулярно-генетичному рівні.

За К.С. Суховим (1965), віруси характеризуються такими основними ознаками: 1) дуже малими розмірами тіла (вимірюються нанометрами); 2) відсутністю клітинної будови; 3) відносно простим хімічним складом (найпростіші віруси складаються з білка і нуклеїнової кислоти); 4) нездатністю до культивування на штучних синтетичних середовищах; 5) особливим циклом розвитку в організмі сприятливого хазяїна або частиною цього циклу в безклітинному середовищі, яке включає деякі органоїди клітини і речовини, необхідні для синтезу нуклеїнових кислот і білків; 6) здатністю деяких із них кристалізуватися за певних умов довкілля.

Суттєвими ознаками, що відрізняють віруси від усіх інших відомих організмів, є відсутність власних систем білка (це визначає характер паразитизму вірусів — паразитизм на генетичному рівні) і те, що віруси є неклітинними формами життя.

Елементарний склад вірусних частинок такий (%): вуглець — 50; кисень — 20; водень — 7; азот — 16; фосфор — 0,4—0,5; сірка — 0,1-0,2; зольні елементи — 2,5. Основним компонентом вірусів є також нуклеїнові кислоти (РНК або ДНК).

У життєвому циклі вірусів чергуються дві фази — позаклітинна, під час якої вірус перебуває у вигляді інертної інфекційної частинки — віріону, і внутрішньоклітинна фаза, протягом якої проявляються властивості вірусів, закодовані в їхньому геномі, тобто здійснюється їх розмноження.

Аналізуючи сучасні досягнення вірусологічної науки, можна сказати, що віруси є автономними генетичними структурами, уламками життя, фрагментами живих систем, які нездатні до самостійного існування поза повноцінними організмами або клітинами, чи то, нарешті, субклітинними структурами. Як автономні генетичні структури віруси певною мірою мають або, вірніше, зберігають основні атрибути життя, включаючи такий кардинальний атрибут, як здатність до еволюції.

Бактеріофаги поділяються на: ниткоподібні, сферичні, фаги з хвостовим відростком, булавоподібні з довгим відростком, булавовидні ДНК-вмісні. До складу клітин бактеріофагів входить білок та нуклеїнова кислота. У фагів виявлено ферменти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Застосування електронної мікроскопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами.

У 50-х роках у практику було впроваджено методи культивування клітинних культур, які істотно вплинули на розвиток вірусології. Тепер віруси успішно культивуються в культурах одношарових трипсинозованих клітин, які виготовляють з ембріональних тканин курей, кроликів, морських свинок, мишей, а також нирок мавп і ембріонів людини.

Список використаної літератури

Атабеков И.Г. Практикум по общей вирусологии. — М.: Из-во Московского университета, 1981. — 191 с.

Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. — К: Либідь, 1993. — 303 с.

Бойко А Л. Экология вирусов растений. — К.: Вища шк., 1990. — 165 с.

Бондаренко Н.В. Биологическая защита растений. — М.: Агропромиздат, 1987.-278 с.

Борьба с вирусными болезнями растений. / Под ред. Х.Кеглер. М.: Агропромиздат. — 1986. — 326 с.

Будзанівська І.Г., Поліщук В.П., Тивончук Т.П., Бойко А.Л. Зв'язок між наявністю антигенів фітовірусів в грунті, структурою грунтів та екологічним станом зовнішнього середовища // Вісник аграрної науки. — 1998. — №9. — С 61-63.

Вавилов Н.И. Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям. - М: Наука, 1986. — 520 с.

Векірчик К.М. Практикум з мікробіології: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2001. – 144 с.

Вершигора А.Ю., Бранцевич Л.Г., Василевская И.А. и др. Общая микробиология. — К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. — 342 с.

Вирощування екологічно чистої продукції рослинництва. /Под ред. Дегодюка Е.Г. — К.: Урожай, 1992. — 318 с.

Віруси і вірусні хвороби бобових культур на Україні. / Московець СМ., Краев В.Г., Порембська Н.Б. та ін. — К.: Наукова думка 1971.— 136 с.

Вірусні та мікоплазмові хвороби польових культур. / Під ред. Ж.П.Шевченко. — К.: Урожай, 1995. — 304 с

Вірусні хвороби сільськогосподарських культур/ Московець С.Н., Бобирь А.Д., Глушак Л.Е. / Під ред. Бобиря А.Д. — К.: Урожай, 1975. — С.72-80.

Власов Ю.И. Вирусные и микоплазменые болезни растений. — М.: Колос, 1992. — 207 с.

Власов Ю.И., Ларина Э.И. Сельскохозяйственная вирусология. — М.: Колос, 1982. — С. 150-156.

Генкель Л.А. Микробиология с основами вирусологии. — М.: Просвещение, 1974. — 270 с.

Гиббс А., Харрисон Б. Основы вирусологии растений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1978. — 430 с.

Гнутова Р.В. Серология и иммунохимия вирусов растений. — М.: Наука, 1993. — 300 с.

Груздева Л.П., Яекин А.А. Почвоведение с основами геоботаники. — М.: Агропромиздат, 1991. — 448 с.

Гусев М.В., Минова Л.А. Микробиология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. - 448 с.

Ижевский С.С, Гулий В.В. Словарь по биологической защите растений. — М.: Россельхозиздат, 1986.— 223 с.

Максимов Н.А. Краткий курс физиологии растений, 1958

Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. – М.: Агропромиздат, 1987. – 368 с.