Бактериофаг

Морфология и структура

Как и прочие вирусы, во внеклеточной форме бактериофаги являются метаболически инертными частицами. Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, строению фаговой частицы, морфологии негативных колоний, характеру взаимодействия с микробными клетками.

Для обозначения бактериофагов используются буквы латинского и греческого алфавитов. В частности хорошо изучены фаги кишечной палочки: λ, ϕX174, fd, f2, R17, Т2.

Большинство из фагов относятся к сложным вирусам и состоят из хорошо сформированной икосаэдрической (кубической) головки и хвоста (отростка) различной степени выраженности, иногда имеющего дополнительные структуры.Все структуры отростка имеют белковую природу.Размер фага колеблется от 20 до 200 нм. Средний диаметр головки – от 60 до 100 нм, длина отростка – 100–200 нм.Длина хвоста, как правило,в 2–4 разабольше диаметра головки.

Головка состоит из генетического материала (двух цепочечной или одноцепочечной нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) с ферментом транскрипаза в неактивном состоянии) и капсида (белковой оболочки). Нуклеиновая кислота и капсид вместе образуют нуклеокапсид.

Хвост представляет собой белковую полую трубку окруженную чехлом, содержащим сократительные белки. Чехол является продолжением белковой оболочки головки. В основании хвоста находится АТФ-аза, регенерирующая энергию для инъекции генетического материала(сокращения чехла отростка бактериофага). У некоторых вирусов чехол сокращается, обнажая часть стержня. На конце хвоста у многих фагов присутствует базальная пластинка с тонкими длинными нитями, способствующими прикреплению его к бактерии. Кроме того в области базальной пластинки присутствует фермент – бактериофаговый лизоцим, способный разрушать муреин клеточной стенки бактерии.

Морфологические типы

Описание структуры и морфологии бактериофагов приведенное выше соответствует наиболее изученным Т-фагам (типовым фагам). Они составляют группу коли-дизентерийных фагов, включающую 7 представителей: 4нечетных Т1, ТЗ, Т5 и Т7 и 3 четных Т2, Т4, Т6.

Классические иди «хвостатые» фаги составляют основную массу бактериофагов, около 96%. Однако установлено, что тонкая структура фагов более разнообразна и сложна, чем структура фитопатогенных вирусов и зоопатогенных вирусов. В настоящее время исследовано большое количество фагов с морфологией отличной от представленной выше.

По форме вирусных частиц фаги делятся на шесть основных морфологических типов:

1. Палочковидные или нитевидные.
2. Головка без отростка.
3. Головка и несколько небольших выступов (отростков).
4. Головка и один небольшой короткий отросток.
5. Головка и длинный отросток, чехол которого не сокращается.
6. Головка и длинный отросток, чехол которого сокращается.

Геномы

Геномы бактериофагов характеризуются большим разнообразием. Объемы геномов варьируют от 20 до 700 kb. Длина большинства фаговых геномов составляет около 50 kb

Длина самого крупного бактериофага (G) равна 670 kb. Это самый крупный из всех вирусных геномов. Его размер в четыре раза превышает самый маленький бактериальный геном.

Встречаются фаги, геном которых сегментирован, но в основном геномы представлены целыми линейными или кольцевыми молекулами нуклеиновых кислот. Большинство изученных бактериофагов имеют двухцепочечную ДНК. Однако обнаружены группы с одноцепочечной ДНК, двухцепочечной и одноцепочечной РНК.

Химический состав

Бактериофаги состоят из нуклеиновой кислоты и белка. Общее количество белка – 50–60%, нуклеиновых кислот – 40–50 %. В составе некоторых фагов имеются ДНК с азотистыми основаниями. Вместо цитозина может присутствовать5-оксиметилцитозин. Внутри головки фага Т2 обнаружен белок с полиамидами в составе. Он способствует суперспирализации ДНК и способствует размещению достаточно длинной ДНК в головке небольшого размера. В частицах многих фагов под чехлом присутствует фермент лизоцим.

Классификация бактериофагов

Современная классификация бактериофагов основана на строении фаговой частицы и характеристике нуклеиновой кислоты. Прежде всего фаги, как и все остальные вирусы, делятся на РНК-содержащие и ДНК-содержащие. В соответствии с Международной классификацией и номенклатурой вирусов в настоящее время из наиболее исследованных бактериофагов выделяют 13 семейств, в том числе: Myoviridae (частица без оболочки с сократительным хвостом, двухцепочечная ДНК линейная),Rudiviridae (частица без оболочки, палочкообразная, двухцепочечная ДНК линейная),Bicaudaviridae (частица без оболочки, лимонообразна, двухцепочечная ДНК кольцевая).

Отдельные семейства объединены в два порядка. Для большинства порядки не определены.

Жизненный цикл

Как указывалось выше, бактериофаги характеризуются специфичностью к определенным видам бактерий. Однако, взаимоотношение между фагами и бактериями сложны и не всегда завершаются лизисом чувствительной к нему клетки и размножением фага.

В зависимости от специфичности различают:

• моновалентные бактериофаги – лизируют культуры бактерий определенного вида;
• типовые бактериофаги – лизируют отдельные штаммы внутри вида;
• поливалентные бактериофаги – вызывают лизис группы родственных видов микробов.

Инфекцию клетки, заканчивающуюся ее гибелью и размножением в ней фага, называют продуктивной.

Главная особенность бактериофагов: размножение происходит только в живых клетках, находящихся в состоянии развития и роста. В мертвых клетках и в продуктах клеточного обмена размножение фагов не происходит.

По характеру взаимодействия с бактериальными клетками различают две группы:

1. Вирулентные бактериофаги – всегда лизируют зараженные бактерии и имеют только один путь развития – литический цикл.
2. Умеренные бактериофаги – ведут себя двояко: после проникновения в клетку нуклеиновая кислота вируса может быть вовлечена в литический цикл или вступает с клеткой-хозяином в своеобразные симбиотические отношения. Она встраивается в хромосому бактерии и превращается в профаг, передаваясь всему потомству клетки (лизогенный путь). При этом бактерии, содержащие профаг, называют лизогенными бактеиями.

Умеренные и вирулентные бактериофаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой имеют одинаковый путь развития. Период с момента инфицирования клетки до ее лизиса называется латентным периодом. Первая половина латентного периода, когда фаг не удается обнаружить в клетке, называют скрытым периодом. Каждая система бактериофаг – бактерия характеризуются конкретными величинами латентного и скрытого периода. Продолжительность этих периодов зависит от температуры, состава среды и многих других факторов. Продолжительность латентного периода варьирует от 15 минут до 5 часов и более. При низкой температуре она увеличивается.

Реакция на химические и физические факторы

Бактериофаги проявляют большую устойчивость к действию физических и химических факторов окружающей среды, чем многие зоопатогенные и фитопатогенные вирусы. Большинство фагов активируются при температуре более +65°C– +70°C. Они хорошо переносят замораживание и длительно сохраняются при низких температурах и высушивании. 0,5% раствор сулема (хлористой ртути), 1,0% раствор фенола не оказывают на фаги инактивирующего действия. 10% раствор формалина инактивирует фаговые частицы в течение нескольких минут. Бактериофаги резистентны к воздействию ионизирующей радиации и ультрафиолетового излучения.