Что такое вирусы бактериофаги
Что такое вирусы бактериофаги
Бактериофаги [от бактерии, + греч. phagein, поедать] — группа вирусов, паразитирующих в бактериальных клетках. Вирусы, вызывающие гибель инфицированных бактерий, известны как литические бактериофаги. Размножение и выход дочерних популяций вируса из бактерии сопровождается её гибелью и разрушением (лизисом). Бактериофаги широко распространены в природе — их выделяют из воды, почвы, организмов различных животных и человека. Принципы классификации бактериофагов аналогичны подходам к систематике вирусов вообще.
В основу классификации положены антигенная структура, морфология фагов, спектр действия, химический состав и др. Большинство фагов относится к ДНК-содержащим вирусам с нуклео-капсидом, организованным по принципу смешанной симметрии. По спектру действия выделяют типовые фаги (Т-фаги), лизирующие бактерии отдельных типов внутри вида, моновалентные фаги, лизирующие бактерии одного вида, и поливалентные фаги, лизирующие бактерии нескольких видов. Бактериофаги устойчивы к различным физическим и химическим воздействиям. Большинство из них без вреда переносит высокие температуры (50-70 °С), действие дезинфектаитов (за исключением кислот и формалина), прямой солнечный свет и УФ-облучение в низких дозах. Бактериофаги проявляют иммуногенные свойства, вызывая синтез специфических AT.
Рис. 5-10. Фаг Т4 кишечной палочки до контакта с бактерией (А) и в момент введения фаговой ДНК (Б).
Морфология бактериофагов. Типы бактериофагов
Строение бактериофагов наиболее полно охарактеризовано на основе изучения Т-фагов кишечной палочки (рис. 5-10). Внешне большинство бактериофагов напоминают сперматозоиды или головастиков, но среди них встречают и другие формы, на основании которых выделяют пять основных типов бактериофагов.
• К типу I бактериофагов относят ДНК-содержащие нитевидные фаги, лизирующие бактерии, содержащие F-плазмиды.
• Фаги типа II представлены головкой и рудиментом хвоста. Геном большинства из них образован молекулой РНК и лишь у фага jc-174 — однонитевой ДНК.
• Бактериофаги типа III имеют короткий хвост (например, Т-фаги 3 и 7).
• К типу IV относят фаги с несокращаюшимся хвостом и двухнитевой ДНК (например, Т-фаги 1 и 5).
• Фаги типа V имеют ДНК-геном, сокращающийся чехол хвоста, который заканчивается базаль-ной пластиной (например, Т-фаги 2 или 4).
Журнал для профессионалов аптечного бизнеса
Регистрация
Вирусы против бактерий
Бактериофаги – одни из самых загадочных препаратов аптечного ассортимента. Сейчас они переживают второе рождение – и в нашей стране, и за рубежом снова возник к ним интерес, в журналах появляется не только пересмотр старых результатов, но и масса новых публикаций. Что можно рассказать покупателю, который заинтересовался именно этими средствами?
Вехи истории
Ученые обнаруживали следы жизнедеятельности бактериофагов задолго до того, как возникла вирусология. Британский бактериолог Эрнест Ханкин еще в 1896 году обратил внимание, что некий агент, способный проходить через очень тонкий фарфоровый фильтр, убивает возбудителя холеры. Развитию науки в новом направлении помешала Первая мировая, поскольку финансирование было перенаправлено разработчикам боевых газов, взрывчатых веществ и других более актуальных вещей.
Первооткрывателями бактериофагов считаются два исследователя – британский бактериолог Фредерик Творт, описавший странный фильтрующийся агент в 1915 году, и канадский микробиолог французского происхождения Феликс Д’Эрелль, независимо от Творта сообщивший о точно такой же находке в 1917-м.
За рубежом бактериофагами интересовались в первую очередь микробиологи, так что их находки не имели прикладного значения. Очень долгое время, например, фаг считался не вирусом, а ферментом. В СССР работы изначально велись медиками, в Грузии в 1923 году был создан будущий Всесоюзный центр фаготерапии, собравший на пике своего расцвета коллекцию из более чем 3 тыс. образцов. Однако затем и у нас, и за рубежом дело фаготерапии было практически уничтожено появившимися антибиотиками. Их массовое распространение после Второй мировой создавало впечатление, что изобретена панацея против инфекций и остальные направления исследований – тупиковые.
О бактериофагах ученые вспомнили, когда перед ними в полный рост встала проблема антибиотикорезистентности. Вирусы снова стали объектом экспериментов, в них увидели реальную альтернативу морально и иногда даже физически устаревшим противомикробным препаратам.
Натуральный враг
Бактериофаг, как следует хотя бы из названия, – вирус, пожирающий бактерии. По сути, это такой «грипп бактерий», только летальные исходы случаются куда чаще, чем в человеческом варианте.
Фаги гораздо разнообразнее, чем какие-либо другие известные вирусы, нельзя сказать, что они выглядят однотипно. Чаще всего в качестве иллюстрации используется изображение вирусов группы А по классификации Бредли, она же – группа V по классификации Тихоненко. Такие вирусы устроены сложнее всего, в них имеется головка и отросток с множеством дополнительных элементов (рис. 1). Всего групп выделяют шесть, только в одной из них геном фага представлен одноцепочечной РНК, во всех остальных случаях – это одна- или двухцепочечная ДНК.
Бактериофаги нельзя назвать гигантами, но по своим размерам они, скорее, относятся к крупным и занимают промежуточное положение между самыми большими вирусами табачной мозаики и вирусом иммунодефицита человека 1-го типа (рис. 2).
Вирусы группы А (V) вводят свою ДНК в клетку-мишень очень красиво, процесс чем-то напоминает посадку исследовательского модуля на поверхность Луны или Марса – точно так же он сначала «присаживается» на «опоры», а затем прижимается к мембране бактерии своей базальной пластиной, «пробуравливает» оболочку жертвы и впрыскивает в цитоплазму свой геном. После этого бактериофаг можно считать мертвым, если так вообще можно сказать о вирусах.
Быстро или помучиться?
По механизму действия все бактериофаги можно разделить на две большие группы. Первая – литические, или вирулентные фаги, которые в 100% случаев убивают инфицированную клетку сразу. В случае, показанном на рисунке 3, вирус сразу же уничтожает геном бактерии, используя его исключительно для целей собственной репликации. После наработки максимально возможного числа новых вирусных частиц микроб либо сразу гибнет в момент их выхода, просто разрываясь на части, либо погибает в ближайшее время из-за того, что все критически важные внутренние механизмы физически уничтожены.
Вторая группа – лизогенные, или умеренные фаги. Их геном встраивается в геном носителя и может существовать там в стелс-режиме долгое время, передаваясь из поколения в поколение. Активируется эта «бомба с замедленным действием» под влиянием различных неблагоприятных внешних факторов вроде дефицита питательных веществ. Единичные фаги умеют сочетать оба варианта, отпочковываясь и не разрушая бактериальную клетку сразу, лишь используя часть ее мембраны в качестве оболочки, одновременно оставляя «закладку» в ее геноме. На одного микроба могут напасть сразу несколько фагов с разными механизмами взаимодействия.
Плюсы и минусы
По той же причине у фагов либо меньше побочных эффектов, либо их совсем нет. С резистентностью история схожая, она если и развивается, то только у конкретной бактерии-мишени. С помощью генной инженерии реально перепрограммировать вирус и натравить его на какого-нибудь другого возбудителя, еще не знакомого с вирусом.
Немаловажным фактором в пользу бактериофагов можно считать дешевизну и простоту их производства, особенно по сравнению с новыми перспективными антибиотиками. Действительно получается не менее, а иногда и более эффективная альтернатива с кратно меньшими вложениями.
Недостатки тоже есть, и они тесно связаны с вирусной природой фагов. Прежде всего, их сложно хранить и перевозить, они весьма требовательны к условиям содержания. Кроме того, фаги способны нападать только на свободно плавающие бактерии, внутрь человеческих клеток их никто не пустит. Агрессивная среда желудка уничтожает многие вирусы, не разбирая, кто пришел с миром, а кто нет. И главное, для достижения максимального эффекта терапии бактерию-возбудителя нужно фаготипировать, то есть выделить и в лабораторных условиях доказать, что против нее может быть применен вот этот конкретный вирус.
Факты
В СССР активно изучали медицинское применение бактериофагов, но публикации были либо на русском, либо на грузинском языках, поэтому мировая наука о них не знала и с удивлением изучает и цитирует их уже в наше время.
Работы по бактериофагам удостоены Нобелевской премии. В 1969 году она была присуждена американским исследователям Максу Дельбрюку, Альфреду Херши и Сальвадору Лурия за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов.
В ГРЛС зарегистрированы и обращаются на российском рынке следующие разновидности бактериофагов: брюшнотифозный, дизентерийный, против клебсиелл и отдельно – против клебсиеллы пневмонии, против кишечной палочки, протейный, сальмонеллезный, стафилококковый и против синегнойной палочки. Самый часто используемый в амбулаторной практике препарат – стафилококковый фаг.
Не антибиотиком единым: «киллеры» бактерий – бактериофаги
Середина прошлого века была ознаменована серьёзным открытием в медицине: появились первые антибиотики и зазвучали оптимистичные прогнозы о скорой и окончательной победе человечества над большинством инфекций. Однако на тот период эта мечта оказалась несбыточной, поскольку медики столкнулись с неприятным сюрпризом: мутации и изменение морфологических и функциональных свойств позволили бактериям приобрести устойчивость (резистентность) к самым мощным антибиотикам.
Со временем проблема медленно, но неуклонно усугублялась. В современном мире существует реальная угроза развития таких микроорганизмов, которые будут обладать высокой резистентностью ко всем разработанным на сегодняшний день антибактериальным препаратам. Вот тут на помощь, по мнению учёных, и могут прийти бактериофаги – «пожиратели бактерий», которые мутируют с той же скоростью, что и бактерии.
Кто открыл бактериофаги?
Первые сведения о бактерицидном действии неизвестной субстанции появились в конце 19 века, когда британский бактериолог Эрнест Ханкин заметил, что люди, купающиеся в «святых водах» Ганга и Джамны (Индия) чудесным образом исцеляются от холеры. Спустя десятилетия в 1915 году его соотечественник Фредерик Творт обнаружил вирусы, уничтожающие бактерии. Через два года после него французский учёный Феликс д’Эрель сообщил, что открыл «невидимый микроб», поражающий дизентерийную палочку. Им же впервые был применён термин «бактериофаг» («поедатель бактерий»), которым мы пользуемся по сей день.
Однако грузинский НИИ бактериофагов не прекратил свою деятельность и превратился в единственный в мире центр для исследования фагов. В последние десятилетия интерес к теме бактериофагов разгорелся вновь, что, вероятно, можно объяснить развитием лекарственной устойчивости у бактерий к большинству антибиотиков.
Механизм действия бактериофагов
У каждой бактерии есть определённый вирус-фаг, который способен её разрушить. Посредством жгутиков фаги протыкают стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивают свой генетический материал внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл: вначале переключаются механизмы жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножается его геном, развивается ДНК вируса. В итоге бактериальная клетка разрушается и множество фагов устремляется наружу.
Бактериофаги отличаются специфичностью: поражая определённую бактерию, для всех остальных микроорганизмов они безвредны.
Лечение бактериофагами
Благодаря уникальным свойствам избирательного уничтожения болезнетворных бактерий, фаги стали применять для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.
Против каких болезней врачи используют бактериофаги сегодня?
Наиболее широко применяется стафилококковый, стрептококковый, холерный бактериофаги, эффективные в терапии как острых, так и хронических форм заболевания, а также бактерионосительства. Кроме того, существуют фаги для лечения брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллезов. Бактериофаги оказываются единственным эффективным средством в тех случаях, когда вышеуказанные инфекции вызываются не традиционными, а устойчивыми к антибиотикам штаммами.
Использование бактериофагов не ограничивается лишь медицинской сферой. К примеру, с 2007 года в Соединённых Штатах после серии исследований фаги были признаны безвредной добавкой и стали использоваться в качестве консерванта при производстве сыров и других скоропортящихся продуктов.
Открытые вопросы
Бактериофаги не всесильны: как оказалось, бактерии могут быть устойчивы не только к антибиотикам, но и к фагам. В связи с этим применяются методы определения чувствительности бактерий, полученных от пациента, к имеющимся в арсенале доктора бактериофагам.
Другой изучаемой сегодня проблемой является роль бактериофагов в приобретении бактериями генов устойчивости к антибиотикам.
В качестве заключения
Как бактериофаги помогают бороться с вирусами
В последнее время часто ведутся разговоры об альтернативе антибиотикам в борьбе с бактериальными инфекциями, в качестве которой все чаще начинают рассматривать бактериофаги. Бактериофаги присутствуют в организме человека с рождения. По мере изучения биологии бактериофагов открываются все новые подробности их свойств, в том числе возможность оказывать противовирусное действие.
В последнее время часто ведутся разговоры об альтернативе антибиотикам в борьбе с бактериальными инфекциями, в качестве которой все чаще начинают рассматривать бактериофаги. Бактериофаги присутствуют в организме человека с рождения. По мере изучения биологии бактериофагов открываются все новые подробности их свойств, в том числе возможность оказывать противовирусное действие.
Результаты работ, проведенных в последующие 15 лет, выступают в поддержку предположения о том, что фаговая терапия может быть использована в качестве дополнительной терапии вирусных инфекций.
Исследования показали следующие возможные противовирусные эффекты фагов:
1. Bocian K, Borysowski J, Zarzycki M et al. The effects of T4 and A3/R bacteriophages on differentiation of human myeloid dendritic cells. Front. Microbiol. 7, 1267 (2016).
2. Borysowski J, Przybylski M, Miedzybrodzki R et al. The effects of bacteriophages on the expression of genes involved in antimicrobial immunity. Adv. Hyg. Med. Exp. 73, 414–420 (2019).
3. Gorski A, Miedzybrodzki R, Jonczyk-Matysiak E et al. Phage-specific diverse effects of bacterial viruses on the immune system. Future Microbiol. 14(14), 1171–1174 (2019).
4. Lamut A, Gjorgjieva M, Naesens L et al. Anti-influenza virus activity of benzo[d]thiazoles that target heat shock protein 90. Bioorg. Chem. 98, 103733 (2020).
5. Ma C, Zhang X, You J et al. Effect of heat shock on murine norovirus replication in RAW264.7 cells. Microb. Pathog. 142, 104102 (2020).
6. Nguyen S, Baker K, Padman BS et al. Bacteriophage transcytosis provides a mechanism to cross epithelial cell layers. mBio 8(6), e01874–17 (2017).
7. Zaczek M, Gorski A, Skaradzinska A et al. Phage penetration of eukaryotic cells: practical implications. Future Virol. 14(11), 745–760 (2019).
8. Luan J, Lu Y, Gao S, Zhang L. A potential inhibitory role for integrin in the receptor targeting of SARS-CoV-2. J. Infect. 81(2), 318–356 (2020).
9. Gorski A, Bollyky PL, Przybylski M et al. Perspectives of phage therapy in non-bacterial infections. Front. Microbiol. 9, 3306 (2019).
10. Miedzybrodzki R, Fortuna W, Weber-Dabrowska B, Gorski A. Bacterial viruses against viruses pathogenic for man? Virus Res. 110(1-2), 1–8 (2005).
11. Lin CW, Lin KH, Hsieh TH et al. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 3C-like protease-induced apoptosis. FEMS Immunol. Med. Microbiol. 46(3), 375–380 (2006).
12. Khomich OA, Kochetkov SN, Bartosch B, Ivanov AV. Redox biology of respiratory viral infections. Viruses 10(8), 392 (2018).
13. Dufour N, Delattre R, Chevallereau A et al. Phage therapy of pneumonia is not associated with an overstimulation of the inflammatory response compared to antibiotic treatment in mice. Antimicrob. Agents Chemother. 63(8), e00379–19 (2019).
14. Gogokhia L, Buhrke K, Bell R et al. Expansion of bacteriophages is linked to aggravated intestinal inflammation and colitis. Cell Host Microbe. 25(2), 285–299 (2019).
15. Weber-Dabrowska B, Mulczyk M, Gorski A. Bacteriophage therapy of bacterial infections: an update of our Institute’s experience. Arch. Immun. Ther. Exp. 48(6), 547–551 (2000).
16. Borysowski J, Miedzybrodzki R, Przybylski M et al. The effects of bacteriophages on the expression of immunologically important genes in CaCo2 cells. Presented at: 9th International Annual Conference Phages 2019. Bacteriophages in Medicine, Food and Biotechnology Oxford, UK 11–12 Sept 2019 (Abstract book p. 25).
1. Bocian K, Borysowski J, Zarzycki M et al. The effects of T4 and A3/R bacteriophages on differentiation of human myeloid dendritic cells. Front. Microbiol. 7, 1267 (2016).
2. Borysowski J, Przybylski M, Miedzybrodzki R et al. The effects of bacteriophages on the expression of genes involved in antimicrobial immunity. Adv. Hyg. Med. Exp. 73, 414–420 (2019).
3. Gorski A, Miedzybrodzki R, Jonczyk-Matysiak E et al. Phage-specific diverse effects of bacterial viruses on the immune system. Future Microbiol. 14(14), 1171–1174 (2019).
4. Lamut A, Gjorgjieva M, Naesens L et al. Anti-influenza virus activity of benzo[d]thiazoles that target heat shock protein 90. Bioorg. Chem. 98, 103733 (2020).
5. Ma C, Zhang X, You J et al. Effect of heat shock on murine norovirus replication in RAW264.7 cells. Microb. Pathog. 142, 104102 (2020).
6. Nguyen S, Baker K, Padman BS et al. Bacteriophage transcytosis provides a mechanism to cross epithelial cell layers. mBio 8(6), e01874–17 (2017).
7. Zaczek M, Gorski A, Skaradzinska A et al. Phage penetration of eukaryotic cells: practical implications. Future Virol. 14(11), 745–760 (2019).
8. Luan J, Lu Y, Gao S, Zhang L. A potential inhibitory role for integrin in the receptor targeting of SARS-CoV-2. J. Infect. 81(2), 318–356 (2020).
9. Gorski A, Bollyky PL, Przybylski M et al. Perspectives of phage therapy in non-bacterial infections. Front. Microbiol. 9, 3306 (2019).
10. Miedzybrodzki R, Fortuna W, Weber-Dabrowska B, Gorski A. Bacterial viruses against viruses pathogenic for man? Virus Res. 110(1-2), 1–8 (2005).
11. Lin CW, Lin KH, Hsieh TH et al. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 3C-like protease-induced apoptosis. FEMS Immunol. Med. Microbiol. 46(3), 375–380 (2006).
12. Khomich OA, Kochetkov SN, Bartosch B, Ivanov AV. Redox biology of respiratory viral infections. Viruses 10(8), 392 (2018).
13. Dufour N, Delattre R, Chevallereau A et al. Phage therapy of pneumonia is not associated with an overstimulation of the inflammatory response compared to antibiotic treatment in mice. Antimicrob. Agents Chemother. 63(8), e00379–19 (2019).
14. Gogokhia L, Buhrke K, Bell R et al. Expansion of bacteriophages is linked to aggravated intestinal inflammation and colitis. Cell Host Microbe. 25(2), 285–299 (2019).
15. Weber-Dabrowska B, Mulczyk M, Gorski A. Bacteriophage therapy of bacterial infections: an update of our Institute’s experience. Arch. Immun. Ther. Exp. 48(6), 547–551 (2000).
16. Borysowski J, Miedzybrodzki R, Przybylski M et al. The effects of bacteriophages on the expression of immunologically important genes in CaCo2 cells. Presented at: 9th International Annual Conference Phages 2019. Bacteriophages in Medicine, Food and Biotechnology Oxford, UK 11–12 Sept 2019 (Abstract book p. 25).
Вирусы
Вирусы способны размножаться только внутри живых клеток, до проникновения в них вирусы не имеют признаков жизни: пассивно перемещаются во внешней среде, ожидая встречи с клеткой-мишенью.
В 1892 году Ивановский Д.И. в ходе изучения мозаичной болезни табака обнаружил, что болезнь вызывается мельчайшими субстанциями, которые проходят через бактериальный фильтр, то есть были меньше бактерий. Вирусы впервые увидели в электронный микроскоп в 1939 году (спустя 19 лет со смерти Ивановского), однако считается, что именно Ивановский положил начало вирусологии как науке.
У вирусов отсутствует обмен веществ с внешней средой (метаболизм).
Не имеют клеточной мембраны, ограничивающих их от внешней среды, и, соответственно, клеточного строения.
У вирусов отсутствует половое размножение и деление. Попав в живую клетку, вирус встраивает свою нуклеиновую кислоту (РНК/ДНК) в наследственный материал клетки-мишени. В результате клетка начинает синтезировать вирусные белки (новые вирусы): так увеличивается численность вирусов.
Носителем наследственной информации у вирусов может быть ДНК, РНК. В связи с этим все вирусы подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие.
Взаимодействие вируса с клеткой
Найдя клетку, на поверхности которой есть подходящий рецептор, вирус взаимодействует с ним и прикрепляется к мембране клетки. Путем эндоцитоза (образование вакуоли) вирус проникает внутрь клетки, выходит из вакуоли в цитоплазму. Наследственный материал (ДНК/РНК) вируса реализуется по схеме: ДНК ↔ РНК → белок.
Образовавшиеся белки объединяются в вирусные частицы, которые могут выходить из клетки разными путями. Вирионы вирусов гепатита C выходят из клетки путем почкования (экзоцитозом), при таком варианте клетка долгое время остается живой и служит для продукции новых вирионов.
Известен и другой механизм выхода вирионов из клетки: взрывной, при котором оболочка клетки разрывается, и тысячи вирионов отправляются инфицировать новые клетки. Такой способ характерен для аденовирусов, ротавирусов.
Бактериофаги («бактерия» + греч. phag(os) — пожирающий)
Ниже вы можете видеть типичное строение бактериофага. Бактериофаг напоминает шприц, который протыкает стенку бактерии и впрыскивает внутрь нее свою нуклеиновую кислоту.
Бактериофаги успешно применяются в медицине для лечения многих заболеваний. Это высокоэффективные, дорогостоящие препараты, которые помогают, например, нормализовать микрофлору кишечника при бактериальных инфекциях.
Вирусные инфекции
Вирусы вызывают множество заболеваний человека и животных. Некоторые из них неизлечимы даже на современном этапе развития медицины, например бешенство. К вирусным инфекциям относятся грипп, корь, свинка, СПИД (вызванный ВИЧ), полиомиелит, желтая лихорадка, онковирусы.
Такая группа, как онковирусы, потенцируют развитие опухолей в организме. К ВИЧ и онкогенным вирусам не существует специфических антител, что затрудняет процесс создания вакцины. В то же время против ряда вирусных инфекций: корь, ветряная оспа созданы вакцины, создающие стойкий пожизненный иммунитет.
Риск заражения ВИЧ присутствует при гемотрансфузии (переливании крови), половом акте. Инфекция также может быть передана от ВИЧ инфицированной матери к плоду.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.