Какими свойствами обладают бактериофаги
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Бактериофаги – бактериальные вирусы, вызывающие разрушение (лизис) бактерий и других микроорганизмов. Бактериофаги размножаются в клетках, лизируют их и переходят в др., как правило, молодые, растущие клетки.
Частицы многих бактериофагов состоят из головки округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45-140 нм и отростка толщиной 10-40 и длиной 100-200 нм. Другие бактериофаги не имеют отростка, одни из них округлы, другие – нитевидны, размером 8х800 нм. Содержимое головки состоит преимущественно из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) (длина её нити во много раз превышает размер головки и достигает 60-70 мкм, эта нить плотно скручена в головке) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) и небольшого количества (около 3%) белка и некоторых других веществ. Отросток имеет вид полой трубки, окруженной чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда бактериофагов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка с несколькими шиловидными или другие формы выступами. От пластинки отходят тонкие длинные нити, которые способствуют прикреплению фага к бактерии. Оболочки головки и отростка состоят из белков. Общее количество белка в частице фага 50-60% , нуклеиновых кислот 40-50%. Каждый бактериофаг обладает специфическими антигенными свойствами, отличными от антигенов бактерии-хозяина и других фагов. Имеются антигены, общие для ряда фагов (особенно содержащих РНК). [1].
Бактериофаг характеризуется следующими основными свойствами:
1) имеет сложную структуру: головку округлой или овальной формы и длинный отросток, конец которого разветвляется на жгутики, несущие функции рецепторов. Таким образом, фаговая часть по форме напоминает головастика или сперматозоид. Размеры фагов колеблются от 2 до 200 нм, т.е. в тех же пределах, что и размеры отдельных вирусов. У сперматозоидных форм средний размер головки составляет 60…80 нм, а длина отростка – 100…200 нм и больше. Величина и форма колеблются в широких пределах даже у особей одного и того же вида, что подтверждает их морфологическую изменчивость;
2) фаговая частица состоит из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), образующей стержень, и белковой оболочки, обеспечивающей форму. Белок отростка отличается от белка головки. Морфологически он представляет собой стержень и трубчатый чехлик. При адсорбации фага на бактериальной клетке и ряде физических воздействий чехлик сокращается и через стержень, который служит каналом, впрыскивается нуклеиновая кислота фага в клетку. В отростке фага содержится лизоцимоподобный фермент, растворяющий стенку клетки – хозяина [2].
Кроме нуклеиновой кислоты и белка в фагах до 12…17% углеводов, 2% липидов, а также содержатся ферменты. Каждый бактериофаг вызывает лизис (растворение) определенного вида бактерий, а некоторые -определенных типов и даже штаммов. По степени специфичности фаги составляют 3 группы:
– полифаги – активные в отношении нескольких родственных видов бактерий;
– монофаги – растворяющие микробы одного вида;
– типовые фаги – лизирующие только определенные типы данного вида бактерий;
3) фаг – строгий внутриклеточный паразит. Репродуцируется только внутри бактериальной клетки. Не культивируется на искусственных питательных средах;
4) фаг обладает хорошо выраженными антигенными свойствами, отличающимися от антигенных свойств бактерий, на которые он действует. При парэнтеральном введении фага в организме образуются антитела, нейтрализующие литическую (растворяющую) активность фага. Действие антифаговых сывороток строго специфично; фаги, таким образом, отличаются друг от друга антигенными свойствами. У фагов обнаружен ряд антигенов, некоторые из них могут быть общими для родственных фагов – групповые антигены. По антигенным свойствам некоторые фаги подразделяют на серологические группы;
5) свойства фага в необычных условиях существования изменяются и передаются по наследству. Специфический фаг способен адаптироваться к паразитированию на другом виде бактерий при многократных пересевах с клетками данного вида, но при этом не может лизировать культуру, на которую действовал ранее [2].
Свойство фага приспосабливаться к условиям окружающей среды проявляется также к физическим (температура и др.) и химическим факторам. Ультрафиолетовое и ионизирующее излучения снижают адсорбирующую способность фага, его патогенность и могут вызывать выраженный мутационный эффект [3].
Фаги способны к генетическим рекомбинациям при совместной репродукции двух фагов, отличающихся по двум генетическим признакам, в одной бактериальной клетке. Появляющиеся гибриды фага – обычно более приспособленные генотипы данного фага.
Следовательно, фаги обладают способностью к адаптации, наследственной изменчивости и эволюции. Все эти свойства фагов позволяют отнести их к живой природе [4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адамс М. Бактериофаги [Текст] – / М. Адамс. – М.:Медгиз, 2000.- 521 с.
2. Госманов Р.Г., Колычев Н.М. Ветеринарная вирусология. [Текст] – М.: КолосС,2006.-304с.
3. Гольдфарб Д. М., Бактериофагия [Текст] / Д. М. Гольдфарб. -М.: Медгиз,2001. -299с.
4. Ожерельева Н. Г. Краткая Медицинская Энциклопедия, М.: изд-во «Советская Энциклопедия», [Текст]- 1999.
Источник
Бактериофаги – кто они и откуда?
Жизнь – это бесконечная война. Даже пока вы спите, где-то проводят боевые действия.
Только речь пойдет не о горячих точках на планете Земля, а о наших с вами организмах.
Внутри нас живут бактериофаги – самые смертоносные существа на свете, потому что разрушение чужой клетки у них занимает не более пары минут. Они круче, чем коронавирус, оспа и даже чума.
Кто такие эти бактериофаги и почему о них раньше ничего не было известно? Обо всем по порядку.
Бактериофаг – это фаг бактерий. Ничего не понятно, поэтому объясню на примере.
Корень «фаг» означает «пожирать». То есть, любой фаг – это существо, которое постоянно что-то подъедает. Прямо как мы во время ночного дожора у холодильника. Только фаги – существа более разумные и волевые: они поглощают то, что несёт им потенциальную угрозу.
И если о бактериофагах вы могли ничего не знать, то о похожих на них клетках в организме человека вы слышали наверняка. О макрофагах. Макрофаг – пожиратель чужеродных микроорганизмов, он же их утилизирует. Открытие подвижных клеток, ответственных за человеческий иммунитет, принадлежит Илье Ильичу Мечникову. Он тыкал в тело полупрозрачной личинки морской звезды шип, оставляя в ее теле занозу, и смотрел под микроскопом, что будет дальше. А дальше было вот что: чужеродное тело, если оно небольшое, окружала стайка крупных клеток, похожих на амебу (потому что подвижные и есть ножки). Эти клетки были способны поглощать занозу и избавляться от неё. Процесс получил название «фагоцитоз» и перевернул несколько жизней: жизнь той самой личинки морской звезды, жизнь ученого мира и их представления об иммунитете и жизнь самого Мечникова – ученый превратился в Нобелевского лауреата.
Какой вывод напрашивается из этой истории? А такой: в организмах живых существ есть некие системы, которые активируются мгновенно и приходят на помощь (как Чип и Дейл) при угрозе вторжения в тело чужеродных организмов.
Но вернёмся к бактериофагу. Представьте себе русскую матрешку: большая матрешка – человек, поменьше – бактерии внутри него, самая маленькая – бактериофаги внутри бактерий. Таких крошечных бактериофагов – миллиарды, если не больше. Больше, чем людей, животных и даже бактерий. И живут они везде, где существует жизнь. На наших руках, на слизистой глаза, внутри кишечника есть бактериофаги, но на нас они не действуют. Бактериофаг является, грубо говоря, макрофагом БАКТЕРИЙ.
Как устроен бактериофаг и чем он занимается?
Бактериофаг – это вирус. Он не совсем живой, но и не мёртвый. Да и выглядит как пришелец из космоса. Все, что создано природой, обычно имеет обтекаемые линии и никаких грубых углов. Бактериофаг другой: у него есть голова, хвост и хвостовые волокна. Голова представляет собой ИКОСАЭДР. Чувствую, как закипает ваша голова, руки тянутся вписать слово в поисковик: икосаэдр – геометрическая фигура с 20 гранями и 30 рёбрами. В голове содержатся гены вируса, его сила и мощь – там.
Обеспокоены наличием такой страшной зверушки внутри себя? Don’t worry, be happy: бактериофаги несут смерть и разрушение покруче любых мировых войн, это правда, но атака направлена ТОЛЬКО на бактерии.
Значит, бактериофаги, как и макрофаги Мечникова, несут пользу?
Да, если научиться управлять этими организмами.
Бактериофаги обладают специфичностью, то есть атакуют бактерию определенного вида и ее ближайших родственников с похожим генетическим материалом.
Атака происходит так: фаг находит свою жертву, цепляется к ней, прикрепляясь ножками, и делает прокол в стенку бактерий с помощью своего шприца на противоположном от головы конце. Сокращая хвост, фаг внедряет свою генетическую информацию в бактерию. Через несколько минут бактерия капитулирует. И теперь ее задача – производить новые части фагов внутри себя, пока она совсем ими не заполнится. Вместо «спасибо» бактериофаг награждает свою жертву ферментом – эндолизином – и выжидает пару мгновений. Этот фермент быстро дырявит стенку бактерии, нагнетает в нее давления побольше и, бац!, убивает ее красивым взрывом изнутри. Вот такая грустная, но поучительная история о доверии и лжи, о жизни и смерти бактерии.
К этой способности бактериофагов – убивать бактерии, перед этим хорошенько размножившись внутри нее, стали присматриваться ученые. Они стали изучать возможность применить бактериофаги в благое дело: вводить их непосредственно в организм человека, чтобы спасти от бактерий.
Бактериофаги – потенциальная замена антибиотикотерапии?
Именно так. Антибиотики больше не справляются со своей задачей – лечить людей. И виноваты в этом лишь мы сами.
Мы облажались, когда бесконтрольно лечили простуду и больное горло очередной порцией антибактериального средства. Облажались, потому что не учли: бактерии не глупые существа, им тоже известно, что такое эволюция и приспособление к новым условиям. Вот они и перестали быть восприимчивыми к нашим, казалось бы, непобедимым лекарствам.
Они превратились в СУПЕРБАКТЕРИИ, лечения от которых на данный момент НЕ СУЩЕСТВУЕТ. Точнее, это лечение ещё не прошло все этапы проверок перед выходом на мировой рынок. А ускоряться жизненно необходимо: по данным исследований, к 2050 году супербактерии могут убивать больше людей в год, чем онкологические заболевания. По последним данным, в США за 2017 год умерло около 23 тысяч человек от банальных инфекций, которые стали устойчивыми ко всем антибактериальным препаратам.
И бактериофаги реально могут решить все проблемы. С глобальной устойчивостью к антибиотикам можно будет справиться. Крошечные организмы, похожие на робота Валли, при введении в организм человека справятся даже с супербактерией. Только они способны внедриться в тело мощной бактерии, чтобы разрушить ее без остатка, при этом не причиняя вред человеку.
Погодите: а это точно ОК – лечить человека, вводя ему миллион вирусов внутрь?
Да! Потому что фаги, повторимся, СПЕЦИФИЧНЫ. И наши клетки им абсолютно не интересны, им только бактерии подавай. Мы слишком разные, и ведём себя друг с другом, как жители Туманного Альбиона: сталкиваемся лицом к лицу каждый день и просто вежливо друг друга игнорируем.
Преимущество смеси бактериофагов перед антибактериальными препаратами очевидно: специфичность позволяет избежать неприятные побочные эффекты, известные при приеме антибиотиков. АБ ведь убивают все, даже хорошие бактерии, которым мы не хотим навредить, поэтому осложнения в виде кишечных расстройств, поражения почек и печени, кандидоза нередки. Бактериофаги атакуют бактерии прицельно: побочные эффекты, по данным исследований, до сих пор выявлены не были.
А если мы будем пользоваться бактериофагами так же часто и без причины, как антибиотиками, антибиотики смогут придумать себе новый способ защиты и от них?
Маловероятно. Сколько длится эпоха антибиотиков? С момента открытия пенициллина Флемингом прошло чуть больше 90 лет. Сколько существуют бактериофаги на Земле? По всей видимости столько же, сколько и бактерии размножаются на планете – вечность. И до сих пор бактериофаги чудесно живут и не дают сбоя в своей работе. Они искусные киллеры бактерий, и в искусстве своем эволюционируют.
И даже если произойдёт катастрофа, бактерии станут невосприимчивы к нашим друзьям-фагам, мы все равно можем победить. Оказывается, чтобы стать устойчивыми к бактериофагам, перед бактериями встанет дилемма: отказаться от устойчивость к фагам или от устойчивости к антибиотиками? Уловка природы такова, что выбор можно сделать только в пользу одной суперспособности.
Где доказательства успешного лечения бактериофагами?
Текст выше – всего лишь теория. Но практика применения бактериофагов существует, а ее результаты – положительны.
Американскому пациенту, чью грудную клетку густо заселили колонии синегнойной палочки и довели до нескольких лет жизни в реанимации, ввели суспензию из бактериофага и антибиотика, получив разрешение от FDA (US Food and Drug Administration).. Занимались этим врачи и ученые из Йельского университета. Отбирая бактериофаги один за другим, они обнаружили, что фаг ОМКО1 нарушает стабильность оболочки бактерии. Без целостной пленки синегнойная палочка теряет свою мощь, и тем легче антибиотику подобраться к ней и убить в привычной нам дозе. Так и сделали врачи: сначала ввели пациенту суспензию бактериофага, затем – порцию антибиотика со спектром активности в отношении синегнойной палочки.
Процедура прошла успешно: человек, который несколько лет не покидал отделение реанимации, вот уже 18 месяцев живет вне стен больницы. Рецидивы его не беспокоят: и это при том, что пациенту на момент поступления в госпиталь было 76 лет!
К сожалению, это лечение было проведено в рамках эксперимента, одобренного Йельским университетом, где наблюдался пациент. Фармацевтические компании пока неохотно финансируют научные исследования, аргументируя свою жадность тем, что официального одобрения терапии фагами не было.
Чтобы стимулировать их вкладываться в производство, в 2016 году началось «фаговое исследование», которое получило свое развитие в феврале 2019: американское FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) одобрила проведение первого клинического испытания с введение смеси бактериофагов внутривенно.
Но в аптеках РФ продают бактериофаги от самых разных бактерий в растворах за тысячу рублей. Это возможно?
Действительно, в России зарегистрировано единственное в стране НПО “Микроген”. Это научное производственное объединение, которое выпускает только фаговые смеси. На сайте производителя можно ознакомиться с составами каждого продукта, а также с ссылками на публикации в научных журналах об успешном лечении смесями фагов. Публикации в журнале можно назвать научно-популярными: в них подробно пишут об успешном лечении пациентов препаратами, налаженном производстве и дальнейших перспективах, но ничего – о результатах в ходе двойных плацебо-контролируемых исследований. В центре исследований Нестле в Швейцарии (а есть и такой), проводили эксперименты с “коктейлями” отечественного производства. Вреда не нашли: состав безопасен, почти все фаги соответствуют заявленным в составе. Есть ли эффект от лечениями этими препаратами? Доказательств тому нет, но и опровержений тоже. Поэтому пока повременим с покупкой бактериофага MADE IN USSR.
Но пока доказательная медицина не спешит делать громкие заявления. Надеемся, с каждым годом ученым удастся подобрать к каждой инфекции свой набор эффективных фагов, чтобы справляться с банальными инфекциями легко и просто, как прежде. Человечеству выпал еще один шанс жить здоровыми, и им необходимо воспользоваться с умом.
Вот такой парадокс: самое смертоносное существо на Земле может нести свет и жизнь без инфекций человечеству.
Заключение:
человечество нерационально использует те блага, которые нам дарит научный мир, например, использует антибиотики не по прямому назначению. Но лучшие его представители – ученые – каждый раз находят новое решение или лечение. Так на смену антибиотикам, к которым человек стал устойчив, придут в будущем бактериофаги – перспективные препараты с меньшими побочными эффектами и более прицельным действием на мишень-бактерию.
Источник
Если имеется крупная колония бактерий, где своих жертв найдут и следующие поколения фагов, то уничтожение бактерий литическими (убивающими, дословно — растворяющими) фагами идет быстро и непрерывно. Если потенциальных жертв мало или внешние условия не слишком подходят для эффективного размножения фагов, то преимущество получают фаги с лизогенным циклом развития. В этом случае после внедрения внутрь бактерии ДНК фага не сразу запускает механизм инфекции, а до поры до времени существует внутри клетки в пассивном состоянии, часто внедряясь в бактериальный геном. В таком состоянии профага вирус может существовать долго, проходя вместе с хромосомой бактерии циклы деления клетки. И лишь, когда бактерия попадает в благоприятную для размножения среду, активируется литический цикл инфекции. При этом, когда ДНК фага освобождается из бактериальной хромосомы, часто захватываются и соседние участки бактериального генома, а их содержимое в дальнейшем может перенестись в следующую бактерию, которую заразит бактериофаг. Этот процесс (трансдукция генов) считается важнейшим средством переноса информации между прокариотами — организмами без клеточных ядер.
ПРИМЕНЕНИЕ БАКТЕРИОФАГОВ В МЕДИЦИНЕ
Исторически сложилось, что СССР занимал лидирующие позиции в области производства и применения лечебно-профилактических бактериофагов. Применение бактериофагов при лечении инфекционных заболеваний началось почти сразу после открытия самих бактериофагов, однако широкие испытания этих противобактериальных средств начали проводиться в СССР только в конце 1930-х гг. В результате была доказана эффективность препаратов бактериофагов как профилактического средства при борьбе с эпидемиями дизентерии и холеры, а использование их при лечении ран и гнойно-воспалительных процессов показало их потенциал как альтернативы антибиотикам.
Однако результаты исследований тех времен были зачастую противоречивы: иногда фаги сразу подавляли развитие инфекционных процессов, но иногда оказывались бесполезными. Специалисты сразу поняли, в чем причина: лечение было успешным лишь тогда, когда использовались фаги, способные инфицировать именно тот бактериальный штамм, который и вызвал заболевание. Поэтому при возникновении эпидемии требовалось выделить инфекционный агент, проверить на нем имеющиеся фаговые препараты и запустить в производство в качестве препарата наиболее эффективный бактериофаг.
Столетняя история фаготерапии бактериальных инфекций такова, что основные клинические испытания были проведены задолго до разработки надежной экспериментальной модели инфекционной патологии на лабораторных животных и внедрения в медицинскую практику для вновь регистрируемых лекарственных средств высоких стандартов двойного слепого плацебо-контролируемого исследование. С появлением антибиотиков интерес к фагам был утрачен, но после появления антибиотикоустойчивых штаммов бактерий в разных странах начали разрабатывать фаговые препараты и вновь проводить их испытания. Этому способствует и развитие новых представлений в конце ХХ – начале ХХI в. как о молекулярной биологии, так и об экологических взаимоотношениях бактериофагов и их хозяев.
Сейчас бактериофаги в медицинской практике применяется в диагностике, лечении и профилактике инфекционных заболеваний.
Фагодиагностика (фагоиндикация) – выделение бактериофагов из организма больного и объектов внешней среды (что косвенно свидетельствует о наличии в материале соответствующих бактерий). В процессе диагностики важно проводить фагоидентификацию, которая включает в себя:
– фагодифференцировку – установление вида (идентификация) бактерий по их чувствительности к известному фагу;
– фаготипирование – установление типа – внутривидовое типирование бактерий по их чувствительности к типовым бактериофагам (важно для эпидемиологического анализа заболевания – установление источника и путей распространения заболевания).
Фаготерапия – применение бактериофагов с целью лечения инфекционных заболеваний (например, пиобактериофаг, дизентирийный и синегнойный бактериофаги).
Фагопрофилактика – применение бактериофагов с целью предупреждения заболеваний в эпидемическом очаге (например, дизентерийный, сальмонеллезный и стафилококковый бактериофаги). В настоящее время фаги применяются для экстренной профилактики брюшного тифа и дизентерии. Под экстренной профилактикой понимается комплекс мероприятий для предотвращения развития болезни до и/или непосредственно после процесса инфицирования.
Достоинств у бактериофагов как потенциальных лекарств множество, но и недостатков не мало. К несомненным достоинствам относится, во-первых, их большое количество, на фоне этого всегда можно подобрать подходящий бактериофаг. Во‑вторых, бактериофаги строго специфичны, то есть они уничтожают только определенный вид микробов, не угнетая при этом нормальную микрофлору человека. В-третьих, когда бактериофаг находит бактерию, которую должен уничтожить, он в процессе своего жизненного цикла начинает размножаться. Таким образом, не столь острым становится вопрос дозировки. В-четвертых, бактериофаги не вызывают побочных эффектов. Все случаи аллергических реакций при использовании терапевтических бактериофагов были вызваны либо примесями, от которых препарат был недостаточно очищен, либо токсинами, выделяющимися при массовой гибели бактерий.
Проблемы применения бактериофагов проистекают из их достоинств. Прежде всего высокая специфичность бактериофагов требует точной диагностики патогенного микроба вплоть до штамма. Например, препарат, сделанный против определенного набора штаммов и прекрасно лечащий стрептококковую ангину в Смоленске, может оказаться бессильным против по всем признакам такой же ангины в Кемерово, так как болезнь могут вызывать разные штаммы бактерий. Фагодиагностика с использованием быстрых методов типирования внедряется медленно из-за дороговизны аппаратуры. В идеальных условиях терапия бактериофагами должна проводиться с использованием принципов персонализированной медицины, к чему современная отечественная медицина практически не готова.
Другой важный недостаток фагов — их биологическая природа. Кроме того, что бактериофаги для поддержания жизнеспособности требуют особых условий хранения и транспортировки, такой метод лечения открывает простор для множества спекуляций на тему «посторонней ДНК в человеке». И хотя известно, что бактериофаг в принципе не может заразить человеческую клетку и внедрить в нее свою ДНК, поменять общественное мнение непросто. Из биологической природы и довольно большого, по сравнению с низкомолекулярными лекарствами (теми же антибиотиками), размера вытекает третье ограничение — проблема доставки бактериофага в организм. Если микробная инфекция развивается там, куда бактериофаг можно приложить напрямую в виде капель, спрея или клизмы, — на коже, открытых ранах, ожогах, слизистых оболочках носоглотки, ушей, глаз, толстого кишечника — то проблем не возникает. Но если заражение происходит во внутренних органах, ситуация сложнее. Случаи успешного излечения инфекций почек или селезенки при обычном пероральном приеме препарата бактериофага известны. Но сам механизм проникновения относительно крупных (100 нм) фаговых частиц из желудка в кровоток и во внутренние органы изучен плохо и сильно разнится от пациента к пациенту. Бактериофаги бессильны и против тех микробов, которые развиваются внутри клеток, например, возбудителей туберкулеза и проказы. Через стенку человеческой клетки бактериофаг пробраться не может.
Сравнительные возможности терапии фагами и антибиотиками представлены в таблице ниже.
Источник