Реферат

Строение бактериофагов

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты5, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Рис. 2. Строение бактериофага
1 — голова, 2 — хвост, 3 — нуклеиновая кислота, 4 — капсид, 5 — «воротник», 6 — белковая оболочка хвоста, 7 — фибрилла хвоста, 8 — шипы, 9 — базальная пластинка.
Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головы и хвоста. Длина хвоста обычно в 2-4 раза больше диаметра головы. Головка содержит генетический материал — одноцепочечную или двухцепочечную РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окруженную белковой или липопротеидной мембраной — капсидом, который хранит ген вне клетки.
Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдрический капсид, собранный из множества копий одного или двух конкретных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны состоит из гексамеров того же или подобного белка. Кроме того, фаги могут быть сферическими, лимонными или плеоморфными. Хвост представляет собой белковую трубку — продолжение белковой мембраны головы, в основании хвоста находится АТФаза, регенерирующая энергию для инъекции генетического материала. Также существуют бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.
Фаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Хотя они несут всю информацию, чтобы запустить собственное воспроизводство в соответствующем хозяине, им не хватает механизмов для генерации энергии и рибосом для синтеза белка. Некоторые фаги имеют геном из нескольких тысяч оснований, в то время как фаг G, самый крупный из секвенированных фагов, содержит 480 000 пар оснований, что вдвое превышает средний показатель для бактерий, хотя все еще недостаточно генов для самого важного бактериального органоида — рибосомы.
По механизму взаимодействия различают :
Вирулентные фаги, проникшие в бактериальную клетку, автономно в ней размножаются и вызывают бактериальный лизис. Эти фаги адсорбируются на поверхности бактериальной клетки хвостовыми фибриллами. В результате активации фермента фага АТФазы оболочка хвостового отростка сжимается, и стержень вставляется в клетку. В процессе «перфорации» стенки бактериальной клетки принимает участие фермент лизоцим, расположенный в конце хвостового отростка. Впоследствии ДНК фага, содержащаяся в головке, проходит через полость вала хвоста и активно вводится в цитоплазму клетки. Остальные структурные элементы фага (капсид и отросток) остаются вне клетки. После биосинтеза компонентов фага и их самосборки в бактериальной клетке накапливается до 200 новых фаговых частиц. Под действием лизоцима фага и внутриклеточного осмотического давления клеточная стенка разрушается, потомство фага высвобождается в окружающую среду, а бактерии лизируются.
Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризуется определенной степенью специфичности. По специфичности действия различают поливалентные фаги, способные взаимодействовать с родственными видами бактерий, одновалентные фаги, взаимодействующие с бактериями определенного типа, и типичные фаги, взаимодействующие с отдельными вариантами (типами) этого типа бактерий.
Умеренные фаги лизируют не все клетки популяции, с некоторыми из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В этом случае геном фага называют профагом. Профаг, ставший частью хромосомы клетки, реплицируется синхронно с бактериальным геном во время своего размножения, не вызывая его лизиса, и передается от клетки к клетке для неограниченного числа потомков. Биологический феномен симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенным, а бактериальная культура, содержащая профаг, — лизогенным. Это название отражает способность профага спонтанно или под влиянием ряда физических и химических факторов исключаться из хромосомы клетки и переходить в цитоплазму, то есть вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.
Лизогенные культуры не отличаются по своим основным свойствам от исходных, но невосприимчивы к повторному заражению гомологичным или близкородственным фагом и, кроме того, приобретают дополнительные свойства, которые находятся под контролем генов профага. Изменение свойств микроорганизмов под действием профага называется фаговой конверсией. Последний встречается у многих видов микроорганизмов и влияет на их различные свойства: культурную чувствительность, биохимические, токсикологические, антигенные, антибиотические и т.д. От этой части хромосомы к другой клетке. Если микробная клетка становится лизогенной, она приобретает новые свойства. Следовательно, фаги умеренного климата являются мощным фактором изменчивости микроорганизмов.
2. Взаимодействие с бактериальной клеткой.
Присоединение фаговых вирионов к бактериальной клетке является реакцией первого порядка и обычно происходит на поверхности клетки. Последний по своему строению отличается у разных видов бактерий. Некоторые фаги прикрепляются к особым разрастаниям, так называемым F и L-ворсинкам, которые принимают участие в процессе конъюгации. Вирионы фагов группы X обратимо прикрепляются к бактериальным жгутикам и затем скользят по ним по поверхности клетки, и этому процессу, по-видимому, способствует движение самих жгутиков (поскольку неподвижные бактериальные мутанты не являются хозяевами этих фагов). Специфические рецепторы фагов присутствуют на поверхности бактериальной клетки, однако данные об их природе очень ограничены. Тот факт, что фаг не может адсорбировать бактериальный мутант, не обязательно означает, что мутант потерял химические группы, которые действуют как рецепторы фага: последние могут просто быть скрыты другими компонентами клеточной стенки. Рецепторы не всегда нужны самой клетке; например, когда бактерии растут при определенных температурных условиях, они могут погибнуть.
можно извлечь специфическое вещество, способное инактивировать фаг, из оболочки бактерий, чувствительных к фагу. Возможно, это вещество является самим рецептором или компонентом рецепторной структуры на поверхности бактерий. Сами рецепторы, по-видимому, вносят вклад только в обратимую первую стадию адсорбции. Возможно, они также участвуют в других процессах, в частности, в переносе ионов железа. После фаговой атаки бактерия не претерпевает заметных морфологических изменений в течение некоторого времени (латентный период), хотя инфекция в конечном итоге приводит к лизису клеток, поскольку лизис всегда происходит внезапно.
Проникновение генома фага в клетку сопровождается физическим отделением нуклеиновой кислоты от большинства оставшихся снаружи капсидных белков.
Помимо нуклеиновой кислоты фага, в бактериальную клетку также вводится небольшое количество белков и некоторых других веществ, включая олигопептиды и полиамины. Роль этих веществ в процессе развития фагов неизвестна; некоторые из них являются остатками протеолиза капсидных белков во время сборки вирионов. Если бактериальные клетки способны поглощать свободную ДНК из окружающей среды, геном фага также может проникать в них в виде свободных молекул ДНК. Это явление называется трансфекцией. Способность бактерий поглощать молекулы ДНК может проявляться как нормальное явление на некоторых стадиях роста, что наблюдается, например, у B subtilis.
В некоторых случаях это состояние вызывается искусственно, например, при кишечной палочке.
Процесс развития фага после трансфекции принципиально не отличается от того, что происходит при нормальном заражении фагом, за исключением того, что в этих случаях отсутствует резистентность, вызванная отсутствием рецепторов или другими свойствами клеточной мембраны.
Проникновение генома фага в восприимчивую к нему бактерию приводит к лизогенной или литической инфекции, в зависимости от природы фага (а иногда и бактерий) и условий окружающей среды, таких как температура. При лизогенном взаимодействии геном фага в неинфекционной форме передается бактериальными клетками из поколения в поколение, и время от времени соответствующие вирионы синтезируются в определенном количестве клеток, лизируя эти клетки и затем выходя в окружающую среду внешний. Лизогенные клетки, повторно инфицированные этими вирионами, не лизируются (потому что они невосприимчивы к этому фагу), поэтому лизогенная культура продолжает нормально расти. Присутствие свободных вирионов может быть обнаружено путем воздействия на клетки любого другого нелизогенного бактериального штамма, который лизируется этим фагом. Фаги, способные лизогенизировать зараженные ими бактерии, называются умеренными, а фаги, у которых нет этой способности, называются вирулентными. Однако следует помнить, что даже фаги умеренного климата при первом заражении восприимчивых к ним бактерий вызывают продуктивную инфекцию во многих или даже во всех клетках. Возникновение лизогенности и предотвращение созревания вириона и лизиса клеток требует ряда специфических событий, которые не всегда происходят с каждой инфицированной бактерией. Вероятность лизогенной или продуктивной инфекции варьируется от фага к фагу и зависит от условий культивирования.

В медицине

Одно из направлений использования бактериофагов — антибиотикотерапия, альтернатива антибиотикам. Например, используются бактериофаги: стрептококк, стафилококк, клебсиелла, поливалентная дизентерия, пиобактериофаг, кишечная палочка, белок и колипротеин и другие.
Бактериофаги также используются в генной инженерии в качестве векторов для переноса участков ДНК; возможен также естественный перенос генов между бактериями с помощью некоторых фагов (трансдукция).
Фаговые векторы обычно создаются на основе умеренного бактериофага, содержащего двухцепочечные линейные молекулы ДНК. На левом и правом плечах фага находятся все гены, необходимые для литического цикла (репликация, размножение). Центральная часть генома бактериофага (она содержит гены, контролирующие лизогению, то есть его интеграцию в ДНК бактериальной клетки) не важна для его воспроизводства и составляет около 25 тысяч пар оснований. Эта часть может быть заменена чужеродным фрагментом ДНК. Эти модифицированные фаги проходят литический цикл, но лизогения не происходит. Векторы бактериофагов используются для клонирования фрагментов эукариотической ДНК (то есть более крупных генов) размером до 23 т.п.н. Кроме того, фаги без вставок — менее 38 т.п.н или, наоборот, со слишком большими вставками — более 52 т.п.н., не развиваются и не заражают бактерии.

В биологии

Бактериофаги M13, фаг T4, T7 и фаг используются для изучения взаимодействий белок-белок, белок-пептид и ДНК-белок путем визуализации антимикробного пептидного фага клеток бактериофага
Поскольку размножение бактериофагов возможно только в живых клетках, бактериофаги можно использовать для определения жизнеспособности бактерий. Это направление имеет большие перспективы, поскольку одной из основных задач в различных биотехнологических процессах является определение жизнеспособности используемых культур. С помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий показана возможность изучения фаз взаимодействия фага и микробной клетки.

Выделение и титрование бактериофага

В ряде случаев, например, в научных целях, в целях здравоохранения и гигиены или для проведения реакции определения титра фага, необходимо изолировать фаг от объекта окружающей среды или бактериальной культуры

, а иногда также определяют его количество в единице объема (этот показатель определяется термином титр бактериофага).

A. Выделение бактериофага осуществляется по следующему алгоритму.
1. Материал, из которого выделяется бактериофаг (объект внешней среды или бактериальная культура), фильтруется через бактериальный фильтр.
2. Фильтрат помещают в жидкую питательную среду, куда инокулируют бактериальную культуру, чувствительную к секретируемому фагу.
3. После термостатирования учитывается опыт.
а. Рост бактерий указывает на отсутствие желаемого бактериофага в исследуемом материале.
б. Отсутствие роста бактерий указывает на то, что желаемый бактериофаг присутствует в исследуемом материале.
Б. Титрование бактериофага проводится методом Аппельмана или методом Грации.
1. Титрование фага Аппельмана позволяет определить концентрацию бактериофага в единице объема с точностью до порядка величины. Для этого используется жидкая питательная среда.
а. Фагсодержащий материал разводят в десять раз («титруют») в жидкой питательной среде.
б. Каждое разведение инокулируют бактериальной культурой, чувствительной к этому фагу.
v. Культуры инкубируют в термостате.
d. Последним разведением фагосодержащего материала, в котором не будет роста, является титр бактериофага.
2. Титрование фага Grace может определять концентрацию бактериофага на единицу объема с точностью до тельца фага.
а. Фагсодержащий материал разводят в десять раз («титруют») в полужидкой питательной среде.
б. В каждое разведение добавляется чувствительная культура, так что в отсутствие бактериофага достигается рост, подобный газону.
v. Каждое разведение фагосодержащего материала в полужидкой среде с добавлением чувствительной культуры выливают в чашку Петри поверх слоя плотной питательной среды, используемой в качестве субстрата.
d. Культуры инкубируют в термостате.
а также. Низкие разведения бактериофага полностью лизируют бактерии, и роста не наблюдается. При разбавлении фага появляются отдельные изолированные бляшки, каждая из которых является результатом репликации тельца фага. Для расчета титра бактериофага количество бляшек необходимо умножить на разведение, в котором эти бляшки были подсчитаны.

Учебные материалы

• Экономическая и социальная география Беларуси;
• Экономическая и социальная география Украины;
• Экономическая и социальная география Молдовы;
• Экономическая и социальная география Грузии;
• Экономическая и социальная география Армении;
• Экономическая и социальная география Азербайджана;
• Экономическая и социальная география Казахстана;
• Экономическая и социальная география Узбекистана;
• Экономическая и социальная география Кыргызстана;
• Экономическая и социальная география Туркменистана;
• Естественные науки;
• Экономическая и социальная география Таджикистана;
• Экономическая и социальная география Эстонии;
• Экономическая и социальная география Латвии;
• Экономическая и социальная география России;
• Дальний Восток России;
• География Литвы;
• Социально-экономическая география.