Бактериофаги

Внимание! Информация носит ознакомительный характер и не предназначена для постановки диагноза и назначения лечения. Всегда консультируйтесь с профильным врачом!

Что такое бактериофаги?

Бактериофаги, также известные как фаги, представляют собой вирусы, которые инфицируют и размножаются только в бактериальных клетках. Они повсеместно распространены в окружающей среде и признаны самым распространенным биологическим агентом на Земле. Они чрезвычайно разнообразны по размеру, морфологии и геномной организации. Однако все они состоят из генома нуклеиновой кислоты, заключенного в оболочку из кодируемых фагами капсидных белков, которые защищают генетический материал и опосредуют его доставку в следующую клетку-хозяин. Электронная микроскопия позволила детально визуализировать сотни типов фагов, некоторые из которых имеют «головы», «ноги» и «хвосты». Несмотря на это, бактериофаги неподвижны и зависят от броуновского движения для достижения своих целей.

Как и все вирусы, бактериофаги очень видоспецифичны по отношению к своим хозяевам и обычно заражают только один вид бактерий или даже определенные штаммы внутри вида. Как только бактериофаг прикрепляется к восприимчивому хозяину, он реализует одну из двух стратегий репликации: литическую или лизогенную.

Во время цикла литической репликации фаг прикрепляется к восприимчивой бактерии-хозяину, вводит свой геном в цитоплазму клетки-хозяина и использует рибосомы хозяина для производства своих белков. Ресурсы клетки-хозяина быстро превращаются в вирусные геномы и капсидные белки, которые собираются в несколько копий исходного фага. Когда клетка-хозяин умирает, она активно или пассивно лизируется, высвобождая новый бактериофаг для заражения другой клетки-хозяина.

В цикле лизогенной репликации фаг также прикрепляется к восприимчивой бактерии-хозяину и вводит свой геном в цитоплазму клетки-хозяина. Однако геном фага вместо этого интегрируется в хромосому бактериальной клетки или поддерживается как эписомальный элемент, где в обоих случаях он реплицируется и передается дочерним бактериальным клеткам, не убивая их. Интегрированные фаговые геномы называются профагами, а содержащие их бактерии — лизогенами. Профаги могут вернуться в цикл литической репликации и убить своего хозяина, чаще всего в ответ на изменение условий окружающей среды.

Функция бактериофагов

Хотя бактериофаги не могут инфицировать и размножаться в клетках человека, они являются важной частью микробиома человека и важнейшим медиатором генетического обмена между патогенными и непатогенными бактериями. Перенос генов от одного бактериального штамма к другому бактериофагом называется трансдукцией и может происходить генерализованным или специфическим образом.

  • При «генерализованной» трансдукции случайные фрагменты бактериальной геномной ДНК упаковываются внутри фаговых капсидов вместо фаговой геномной ДНК, поскольку клетка-хозяин распадается от литической репликации. Если фаг, несущий эту бактериальную ДНК, вводит ее в здоровую клетку-хозяин, он может интегрироваться в хромосому этой бактерии, изменяя ее геном и геном дочерних клеток.
  • Считается, что при «специализированной» трансдукции лизогенные фаги, амплифицированные в популяции бактерий, вырезают часть бактериальной ДНК своим геномом, инициируя цикл литической репликации. Поскольку лизогены имеют один и тот же участок интеграции, все фаги-потомки трансдуцируют один и тот же бактериальный ген своим новым хозяевам.

В дополнение к генетическому обмену бактериофаги могут изменять популяции микробов, потому что они охотятся на определенные виды бактерий, не причиняя вреда другим. Более 100 лет исследователи пытались использовать это свойство в качестве средства для лечения патогенных бактериальных инфекций у людей и животных. Хотя дикие фаги, вероятно, действительно оказывают временное воздействие на популяции диких бактерий, существует множество препятствий для клинического использования литических бактериофагов в качестве противомикробной терапии (фаготерапии) у людей.

Во-первых, штаммы диких бактерий очень разнообразны, и многие из них устойчивы к одному или нескольким фагам. Известны многие механизмы устойчивости, например, один известный пример — система CRISPR-Cas9, созданная в настоящее время как инструмент для генетических манипуляций в лаборатории, возникшая как бактериальный защитный механизм против бактериофаговой инфекции. Кроме того, фаги гораздо более иммуногенны, чем противомикробные препараты, и быстро выводятся из крови ретикулярной эндотелиальной системой. Их большой размер по сравнению с противомикробными препаратами, вероятно, ограничит их использование для местного применения, если будут найдены эффективные фаговые коктейли. Некоторые исследователи предположили, что использование фаговых ферментов, которые могут проникать через стенки бактериальных клеток, может быть более простой стратегией. На сегодняшний день не было рандомизированных контролируемых двойных слепых испытаний, показывающих эффективность любой стратегии на людях.

Клиническое значение

Фаги имеют клиническое значение по нескольким причинам. Во-первых, многие высокопатогенные бактериальные токсины кодируются геномами бактериофагов, так что бактерия-хозяин является патогенной только тогда, когда лизогенизируется фагом, кодирующим токсин. Примерами являются холерный токсин в Vibrio cholerae, дифтерийный токсин в Corynebacterium diphtheriae, ботулинический нейротоксин в Clostridium botulinum, бинарный токсин в Clostridium difficile, и шига-токсин из видов Shigella. Без токсинов, кодируемых фагами, эти виды бактерий либо гораздо менее патогенны, либо вовсе не патогенны. Почему фаги кодируют эти токсины, неизвестно. В то время как токсин холеры, вероятно, помогает как фагу, так и хозяину достичь своей следующей жертвы, вызывая обильную, водянистую диарею, паралич, возникающий в результате ботулинического токсина, по-видимому, имеет обратный эффект.

Во-вторых, бактериофаги являются векторами для горизонтального переноса генов, включая гены устойчивости к противомикробным препаратам. Они также были разработаны для введения генов в определенные штаммы для получения клинического эффекта, хотя их использование в настоящее время находится на стадии тестирования.

Третий клинически значимый аспект бактериофагов заключается в том, что их обнаружение может использоваться в качестве биомаркера присутствия их хозяина в сложном образце окружающей среды. Чаще всего они используются в качестве суррогата фекального загрязнения водных источников. Если фаг присутствует, то, скорее всего, присутствует и хозяин. С другой стороны, фаги были сконструированы так, чтобы производить детектируемую молекулу, такую ​​как люцифераза, когда они заражают своего хозяина, как средство обнаружения бактерий в смешанном образце окружающей среды .

Хотя бактериофаги в основном вытесняются новыми технологиями, они также имеют клиническое значение благодаря своей способности различать штаммы одного и того же вида бактерий. Большинство изученных видов бактерий имеют несколько патогенных бактериофагов, так же как люди как вид восприимчивы к нескольким вирусам. Различные штаммы внутри вида устойчивы к одним фагам, но не к другим. Путем систематического заражения каждого штамма стандартной панелью фагов для этого вида можно идентифицировать каждый штамм по типу чувствительности и устойчивости к каждому типу фагов. Для типирования фагов Staphylococcus aureus, например, использовалась стандартизированная панель бактериофагов, распространенная на международном уровне, для дифференциации штаммов S. aureus. До разработки молекулярных методов для этой цели, таких как мультилокусное типирование последовательностей и гель-электрофорез в импульсном поле, фаговое типирование было стандартным критерием для отслеживания штаммов в эпидемиологических целях.

Наконец, бактериофаги были первым обнаруженным типом вируса и стали частью многих фундаментальных открытий молекулярной биологии. Например, доказательство того, что ДНК была молекулой, передающей генетическую информацию, основные механизмы регуляции генов и генетический код, и это лишь некоторые из них, были обнаружены с помощью бактериофагов.

Андрей Закиров/ автор статьи

Занимаюсь профилактикой и лечением колопроктологических заболеваний. Образование высшее медицинское. На сайте tvojajbolit.ru я буду отвечать за качество и грамотность статей.

Специальность: Флеболог, Хирург, Проктолог, Эндоскопист.

Подробнее об Авторе.

Загрузка ...
ТВОЙ АЙБОЛИТ
Adblock
detector