Бактериофаги: интересные факты о самых маленьких в мире паразитах и их значении

Самые многочисленные существа на нашей планете

Какие живые организмы наиболее распространены на планете? Многие подумают о насекомых, но это неверно. Правильный ответ — бактерии. Ученые не пришли к единому мнению о том, считать ли вирусы и фаги полностью живыми, однако они занимают первое место среди всех биологических форм на Земле.

По оценкам специалистов, количество бактерий составляет около 5х10^30 — больше, чем звезд на ночном небе. Фагов, вирусов, инфицирующих бактерии, в десять раз больше. Они обитают везде, где есть их «жертвы»: в воздухе, почве, воде и внутри многоклеточных организмов. Почему бактериофаги не уничтожили все бактерии? Во-первых, фаги не могут активно преследовать жертвы; им остается ждать, пока бактерия случайно не соприкоснется с ними. Во-вторых, бактерии разработали множество защитных механизмов и находятся в постоянной «гонке вооружений» с вирусами.

Врачи отмечают, что бактериофаги, являясь вирусами, специфически инфицируют бактерии, что делает их уникальными в мире микробов. Эти «паразиты» могут быть использованы в медицине для борьбы с бактериальными инфекциями, особенно в условиях, когда антибиотики оказываются неэффективными. Интересно, что бактериофаги могут быть найдены практически везде: в почве, воде и даже в кишечнике человека. Врачи подчеркивают, что их использование в терапии может снизить риск развития антибиотикорезистентности, что является одной из главных проблем современности. Исследования показывают, что бактериофаги могут быть безопасными и эффективными, однако их применение требует дальнейших клинических испытаний и изучения. В целом, врачи видят в бактериофагах перспективный инструмент в борьбе с инфекциями, открывающий новые горизонты в микробиологии и медицине.

ХИЩНИКИ МИКРОМИРА — БАКТЕРИАФАГИ

У каждого человека есть свои бактериофаги

Все знают о микрофлоре человека, но мало кто осведомлен о вирусном сообществе, известном как виром. Многие из этих вирусов — бактериофаги. Их исследование затруднено, так как вирусы не видны под микроскопом и обнаруживаются только по ДНК. Часть этого генетического материала — остатки уничтоженных вирусов. Ученые используют термин «вирусоподобные частицы», и их количество в различных органах человека впечатляет:

• в кишечнике — 10^9 на грамм кала;
• в ротовой полости — 10^8 на мл слюны и 10^7 на мг зубного налета;
• в мочеполовой системе — 10^7 на мл мочи.

Бактериофаги в организме охотятся на бактерии и влияют на здоровье, снижая воспалительные процессы и улучшая работу иммунной системы. Их влияние на здоровье недостаточно изучено, и здесь возможны новые открытия.

Фаги обнаруживаются даже в стерильных частях тела, например, в крови. Считается, что они попадают в кровоток из кишечника через повреждения слизистой оболочки. В 2017 году ученые выяснили, что бактериофаги проникают в кровь через направленный трансцитоз. В клетках слизистой образуется углубление, куда попадает бактериофаг, затем он оказывается в пузырьке внутри клетки, который сливается с мембраной, и вирус выходит наружу. Ученые подсчитали, что ежедневно в кровь попадает 31 миллиард фаговых частиц, многие из которых достигают лимфатических узлов и взаимодействуют с иммунными клетками.

Бактериофаги также обнаруживаются в спинномозговой жидкости, но их роль там пока не ясна.

Фаги имеют два основных жизненных цикла:

• Литический цикл приводит к разрушению бактерии и характерен для вирулентных фагов. Фаг прикрепляется к бактерии, вводит свою ДНК, которая встраивается в хромосому, превращая бактерию в фабрику по производству новых фагов. В конечном итоге новые фаги разрывают бактериальную клетку и выходят наружу.
• Лизогенный цикл характерен для умеренных фагов. Фаг встраивает свою ДНК (профаг) в геном бактерии, но не производит копии. Профаг может оставаться неактивным и передаваться потомкам. Однако под воздействием факторов, таких как ультрафиолет, может произойти индукция профага, и запускается литический цикл.

Во время лизогенного цикла профаг может функционировать как обычный ген, наделяя хозяина полезными свойствами, например, помогая справляться с неблагоприятными условиями и вырабатывать токсины. Это явление называется фаговой модификацией.

Профаги ответственны за опасные заболевания, такие как дифтерия и столбняк, так как токсины закодированы в их ДНК.

Проблема антибиотикорезистентности становится все более актуальной. Бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам, и бактериофаги рассматриваются как потенциальные спасители. Однако некоторые фаги могут передавать бактериям гены антибиотикорезистентности через трансдукцию.

Трансдукция делится на два вида:

• Общая — фаг случайно упаковывает кусочки бактериальной ДНК.
• Специфическая — профаг захватывает соседние гены при вырезании из бактериальной ДНК.

Трансдукция важна для бактерий, так как фаги становятся источником новых генов, предотвращая накопление мутаций.

Фаги, хотя и мелкие, оказывают значительное влияние на экосистемы и биосферу. Они передают гены между бактериями, уничтожают многочисленные популяции, поставляют углерод в океан и поддерживают морские экосистемы.

Бактериофаги стали основой многих прорывных открытий в биологии:

• Они показали, что мутации происходят случайно.
• Доказали, что наследственная информация хранится в ДНК.
• Установили, что каждую аминокислоту кодируют три «буквы» генетического кода.
• Открыли защитную систему бактерий против фагов — CRISPR-Cas.
• Способствовали развитию технологий, позволяя «загружать» в бактерии необходимые гены.

Бактериофаги применяются в медицине для борьбы с инфекциями, но их потенциальные эффекты шире:

• Укрепляют иммунитет.
• Снижают воспаление.
• Уменьшают окислительный стресс.
• Работают как пробиотики.
• Способствуют борьбе с онкологическими заболеваниями.
• Активируют противовирусный иммунитет.

Научные исследования продолжаются, и возможны новые применения бактериофагов.

Происхождение бактериофагов остается неясным. Одни считают, что они существовали до бактерий, другие — что это ДНК, сбежавшая из бактерий. Сложности возникают и с классификацией фагов, которая меняется каждый год. Внешне все вирусы похожи, но их геномы представляют собой мозаику. В настоящее время считается, что у фагов нет единого предка.

Изучение бактериофагов приносит практическую пользу и может повлиять на развитие медицины и генной инженерии.

Бактериофаги, или фаги, представляют собой вирусы, которые заражают бактерии, и их размер действительно поражает воображение — они в десятки раз меньше самых мелких бактерий. Эти микроскопические существа играют ключевую роль в экосистемах, контролируя численность бактериальных популяций и способствуя биогеохимическим циклам. Интересно, что фаги могут быть использованы в медицине для борьбы с бактериальными инфекциями, особенно в условиях, когда антибиотики оказываются бессильны. Исследования показывают, что фаги могут быть высокоэффективными и безопасными для человека, что открывает новые горизонты в лечении инфекционных заболеваний. Кроме того, они активно используются в биотехнологиях и сельском хозяйстве для защиты растений от патогенов. Таким образом, бактериофаги — это не только загадочные микроскопические паразиты, но и потенциальные союзники в борьбе с инфекциями и в улучшении здоровья экосистем.

Микробы: от самого маленького до самого большого

Проникают в святая святых организма

Даже самые укромные участки организма, которые должны быть стерильными, становятся местом обитания фагов. Например, их находят в крови. Считается, что они проникают в кровоток из кишечника и других органов через повреждения слизистой оболочки и более сложные механизмы. В 2017 году исследователи из США и Австралии выяснили, что бактериофаги проникают в кровоток из кишечника посредством направленного трансцитоза. На верхней стороне клеток слизистой оболочки образуется углубление, в которое попадает бактериофаг. Затем он оказывается в пузырьке внутри клетки, добирается до ее нижней части, и пузырек сливается с клеточной мембраной, в результате чего вирус оказывается снаружи. Ученые подсчитали, что таким образом из пищеварительной системы в кровь ежедневно попадает около 31 миллиарда фаговых частиц. Многие из них достигают лимфатических узлов и взаимодействуют с клетками иммунной системы, что, как считается, укрепляет иммунитет.

Бактериофаги также обнаружены в спинномозговой жидкости, омывающей головной и спинной мозг. Как именно они попадают сюда и какую роль играют, пока неизвестно.

Два жизненных цикла фага

Не все бактериофаги мгновенно уничтожают своих хозяев. Среди них выделяют два основных жизненных цикла:

• Литический цикл приводит к гибели бактерии и характерен для вирулентных фагов. Когда бактериофаг находит подходящую бактерию, он прикрепляется и вводит свою ДНК. Эта ДНК интегрируется в хромосому бактерии, превращая её в фабрику по производству новых фагов. Сначала происходит активный синтез множества копий фаговой ДНК, затем производятся белки для сборки новых вирусных частиц. Все жизненные функции бактерии подавляются. В конечном итоге новые фаги разрывают клетку изнутри, выходят наружу и ищут новые жертвы.
• Лизогенный цикл характерен для умеренных фагов и более сложен по сравнению с литическим. Фаг встраивает свою ДНК, называемую профагом, в геном бактерии, но не спешит к размножению. Профаг может долго оставаться в клетке в неактивном состоянии, а его копии передаются потомкам микроорганизма. Однако ситуация может измениться – спонтанно или под воздействием факторов, таких как ультрафиолетовое излучение. Это приводит к индукции профага, и запускается литический цикл, в результате которого бактерия погибает.

Литический и лизогенный циклы. В первом случае фаг немедленно уничтожает бактерию, во втором – может длительное время существовать внутри в виде вставки в ДНК – профага. © library.weschool.com

Существуют и другие формы взаимодействия бактериофагов с микроорганизмами. Они более сложные, и их изучением занимаются специализированные исследователи.

Бактериофаг — древний убийца бактерий!

Тайные помощники бактерий

В лизогенном цикле профаг не всегда «находится в состоянии покоя» внутри бактериальной клетки. Он может функционировать как обычный ген, придавая хозяину полезные характеристики. Например, профаг усиливает сопротивляемость неблагоприятным условиям, защищает от иммунной системы человека и участвует в выработке токсинов. Это явление называется фаговой модификацией.

Профаги являются причиной серьезных заболеваний, таких как дифтерия и столбняк. Бактерии, вызывающие эти инфекции, сами по себе не опасны для человека; их токсичные вещества закодированы в ДНК фага.

Переносчики генов

В последние годы врачи сталкиваются с проблемой антибиотикорезистентности. Бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам, что затрудняет лечение инфекций. В этой ситуации бактериофаги рассматриваются как потенциальное решение, но не всегда действуют на пользу. Некоторые фаги могут передавать бактериям гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, в процессе, называемом трансдукцией.

Трансдукция отличается от фаговой модификации. В этом случае фаг передает бактерии ген, заимствованный у другой бактерии, не связанный с профагом. Этот ген передается как бы в дар и может передаваться дочерним микроорганизмам без участия фага.

Существует два типа фаговой трансдукции:

• Общая. Фаг разрушает бактерию, и в вирусные частицы случайно упаковываются фрагменты бактериальной ДНК.
• Специфическая. Профаг вырезается из бактериальной ДНК и случайно захватывает соседние гены.

Общая (1) и специфическая (2) фаговая трансдукция. В первом случае внутрь фаговой частицы попадает случайный фрагмент бактериальной ДНК. Во втором случае фаг захватывает фрагмент ДНК бактерии, находящийся рядом, когда он вырезается. На рисунке ДНК фага обозначена красным цветом, а ДНК бактерии – черным.

Трансдукция важна для бактерий. Поскольку они не размножаются половым способом, отсутствие новых генов приводит к накоплению мутаций у потомков, что может вызвать вырождение. Фаги становятся источником «новой крови» для бактерий.

Глобальный «фагонет»

Фаги, самые мелкие организмы на Земле, оказывают значительное влияние на экосистемы и биосферу. Исследователи рассматривают вирусы как сеть для передачи генетической информации, играя ключевую роль в эволюции бактерий и всех живых существ. Вот некоторые их воздействия:

• Обмен генами между бактериями.
• Фаги действуют как «антимонопольный орган», уничтожая многочисленные бактериальные популяции и не позволяя одному виду доминировать.
• Разрушая бактерии, фаги ежегодно вносят в мировой океан около трех гигатонн углерода.
• Морские фаги поддерживают экосистему: разрушая бактерии, они возвращают ценные элементы в воду, что изменяет пищевую цепочку. Без них океан выглядел бы иначе.

Верные помощники ученых

Каждый образованный человек знаком с понятиями генов, хромосом, наследственности и мутаций, изучаемыми в школьном курсе биологии. Однако немногие задумываются о том, как ученые пришли к этим знаниям. Многие ключевые аспекты жизни были открыты благодаря исследованию бактериофагов. Изучать клетки человека и животных сложно, в то время как вирусы имеют простую структуру: небольшая молекула ДНК и белковая оболочка. Многие молекулярные механизмы схожи для всех живых организмов: у человека они функционируют так же, как и у бактерий и фагов.

Вот несколько значительных открытий в биологии, ставших возможными благодаря бактериофагам:

• С их помощью ученые выяснили, что мутации происходят случайным образом. В экспериментах бактериофаги добавляли к культурам микроорганизмов. Применив математические модели, исследователи обнаружили, что некоторые бактерии изначально обладали устойчивостью к фагам, что указывает на случайное возникновение изменений в генах. Ошибки при копировании ДНК оказались полезными для бактерий.
• Бактериофаги продемонстрировали, что наследственная информация хранится в ДНК, а не в связанных с ней белках. Ученые заражали бактерии фагами и исследовали, какая часть вируса проникает в клетку. Выяснилось, что это ДНК.
• В экспериментах с фагами T4 впервые установили, что каждая аминокислота кодируется тремя «буквами» генетического кода в ДНК.
• В 1987 году ученые обнаружили в ДНК бактерий необычные вставки в виде коротких повторов. Сначала их считали «генетическим мусором», но позже выяснили, что это часть защитной системы против фагов. С помощью этих вставок бактерия распознает фаговую ДНК и «разрезает» ее с помощью специальных ферментов. Так была открыта система CRISPR-Cas, позволяющая точно и быстро разрезать любые гены в нужных местах, что стало прорывом в генной инженерии.
• Открытие фаговой трансдукции также способствовало развитию технологий. Сегодня ученые используют бактериофаги для «загрузки» в бактерии необходимых генов, заставляя их синтезировать определенные молекулы, такие как лекарства.

Не только против бактерий

Бактериофаги применяются в медицине для лечения бактериальных инфекций, но их положительные эффекты гораздо шире. Исследования показывают, что фаги в организме человека могут:

• Укреплять иммунную систему и улучшать работу макрофагов, отвечающих за поглощение чуждых частиц.
• Снижать уровень воспалительных процессов.
• Уменьшать выработку свободных радикалов и предотвращать окислительный стресс.
• Функционировать как пробиотики, регулируя иммунные реакции в кишечнике.
• Способствовать борьбе с раковыми заболеваниями.
• Активировать противовирусный иммунный ответ.

Научные исследования продолжаются, и в будущем возможно расширение показаний к использованию препаратов на основе бактериофагов.

Существа, которые ломают представления о биологии

Ученые не пришли к единому мнению о происхождении бактериофагов. Некоторые считают, что вирусы появились до бактерий в виде РНК-форм, которые адаптировались, обзавелись ДНК и стали паразитами. Другие полагают, что вирусы — это ДНК, «сбежавшая» из бактерий, получившая белковую оболочку и начавшая самостоятельное существование. Третьи предполагают, что некоторые бактерии утратили функции и трансформировались в вирусы. Четвертые не исключают, что вирусы могли быть первыми живыми организмами на Земле, от которых произошла вся жизнь.

Классификация бактериофагов также вызывает трудности и обновляется почти каждый год. Все вирусы, атакующие бактерии, имеют схожие черты, но их геномы представляют собой мозаичные структуры из различных модулей. Изучение генома фагов затрудняет определение их родственных связей. В настоящее время считается, что у бактериофагов нет единого предка; вероятно, их прародителей было несколько, и они возникли независимо.

Первая классификация фагов основывалась на внешнем виде, но сегодня она устарела. На передний план выходит сложная генетическая структура.

Исследование бактериофагов — увлекательная область науки. Ученые занимаются этой темой не только из любопытства: эти исследования уже принесли практическую пользу и могут существенно повлиять на развитие медицины, генной инженерии и других ключевых направлений.

Бактериофаги, пожиратели бактерий и конец эры антибиотиков

Вопрос-ответ

Какие интересные факты о бактериофагах?

Бактериофаги — это вирусы, поражающие бактерии. Также известные как фаги (от корня «phagein», означающего «поедать»), эти вирусы можно обнаружить везде, где обитают бактерии: в почве, глубоко в земной коре, внутри растений и животных, и даже в океанах.

Кого уничтожают бактериофаги?

– Бактериофаги – это вирусы, поражающие бактерии. Они попадают в клетки микроорганизмов, и клетки-хозяева разрушаются. Это свойство взяли на заметку ученые. С помощью бактериофагов специалисты борются с патогенными бактериями в организме человека.

Где паразитируют бактериофаги?

Бактериофаги присутствуют в значительных количествах и в наземных экосистемах. Так, фаги, лизирующие клетки различных видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах.

Каковы основные свойства бактериофагов?

Бактериофаги — это вирусы, которые специфически infectируют бактерии. Их основные свойства включают: высокую специфичность к определённым штаммам бактерий, способность к размножению только внутри бактериальных клеток, наличие различных форм (например, икосаэдрические и спиральные), а также возможность использования в терапии бактериальных инфекций и в биотехнологии для диагностики и контроля бактерий.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основы бактериофагов и их роль в экосистеме. Понимание того, как эти вирусы взаимодействуют с бактериями, поможет вам лучше осознать их значение в медицине и экологии.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на современные исследования в области бактериофагов. Научные достижения в этой области могут привести к новым методам лечения инфекций, особенно в условиях антибиотикорезистентности.

СОВЕТ №3

Если вас интересует применение бактериофагов в медицине, рассмотрите возможность участия в клинических испытаниях или изучения информации о фаготерапии. Это может быть полезным для понимания их потенциала в лечении заболеваний.

СОВЕТ №4

Поделитесь полученными знаниями о бактериофагах с друзьями и знакомыми. Обсуждение этой темы может повысить осведомленность о важности микробиологии и её влиянии на здоровье человека.