Бактериофаги, их строение, классификация, применение.
Бактериофаги– вирусы бактерий. История открытия бактериофага связана с именами Н.Ф. Гамалеи, наблюдавшего спонтанный лизис сибиреязвенных бактерий в 1898г. Английский бактериолог Ф. Туорт описал способность фильтрата стафилококков растворять свежую культуру этих же бактерий (1915г.). Французский ученый Ф.Д, Эррель подробно изучил взаимодействие фага и бактерий и сделал заключение, что открытый им литический агент является вирусом бактерий и назвал его «бактериофагом» - пожирателем бактерий.
Бактериофаги широко распространены: они выявлены у большинства бактерий, а также у других микроорганизмов, например, у грибов и поэтому их часто называют фагами. Наиболее детально изучена структура крупных фагов, к которым относятся фаги E. Coli (Т2, Т4, Т6). Они состоят из головки икосаэдрического типа, в которой заключена или ДНК, или РНК. Большинство фагов содержат двунитевую ДНК, замкнутую в кольцо. Хвостовой отросток имеет внутри полый цилиндрический стержень, сообщающийся с головкой, а снаружи – чехол, способный к сокращению наподобие мышцы. Чехол присоединен к воротничку, окружающему стержень около головки. Хвостовой отросток заканчивается шестиугольной базальной пластинкой с шипами от которых отходят нитевидные структуры – фибриллы.
По морфологии фаги подразделяются на 6 групп:
1) фаги с длинным отростком, чехол которого сокращается;
2) фаги с длинным отростком, чехол которого не сокращается;
3) фаги с короткими отростками;
4) фаги с аналогом отростка;
5)фаги без отростка;
6) нитевидные фаги.
Бактериофаги содержат группоспецифические и типоспецифические антигены, обладают иммуногенными свойствами, т.е. синтезируют специфические антитела в организме.
По специфичности взаимодействия фаги разделяют на :
- поливалентные (лизируют близкородственные бактерии, например сальмонеллы);
- моновалентные (лизируют бактерии одного вида);
- типоспецифические (лизируют только определенные фаговары возбудителя).
Взаимодействие фагов с бактериями может протекать:
1) по продуктивному типу – образуется фаговое потомство и бактерии лизируются;
2) по абортивному типу – фаговое потомство не образуется и бактерии сохраняют свою жизнедеятельность;
3) по интегративному типу – геном фага встраивается в хромосому бактерии и сосуществует с ней.
В зависимости от типа взаимодействия различают вирулентные и умеренные бактериофаги.
Вирулентные бактериофаги взаимодействуют с бактерией по продуктивному типу.
Взаимодействие фагов с клеткой (бактерией) строго специфично, т.е. бактериофаги способны инфицировать только определенные виды и фаготипы бактерий.
Основные этапы взаимодействия фагов и бактерий.
1. Адсорбция (взаимодействие специфических рецепторов).
2. Внедрение вирусной ДНК (инъекция фага) осуществляется за счет лизирования веществами типа лизоцима участка клеточной стенки, сокращения чехла, вталкивания стержня хвоста через цитоплазматическую мембрану в клетку, впрыскивание ДНК в цитоплазму.
3. Репродукция фага.
4. Выход дочерних популяций.
Умеренные бактериофаги в отличие от вирулентных взаимодействуют с чувствительными бактериями либо по продуктивному, либо по интегративному типам. При интегративном типе взаимодействия ДНК умеренного фага встраивается в хромосому бактерии, реплицируется синхронно с геном размножающейся бактерии, не вызывая ее лизиса. ДНК бактериофага, встроенная в хромосому бактерии, называется профагом, а культура бактерий – лизогенной. Такое сосуществование бактерии и умеренного бактериофага называется лизогенией.
Умеренные фаги имеют важное значение в обмене генетическим материалом между бактериями - в трансдукции (одна из форм генетического обмена). Например, способностью вырабатывать экзотоксин обладают только возбудитель дифтерии, в хромосому которого интегрирован умеренный профаг, несущий оперон tox, отвечающий за синтез дифтерийного экзотоксина. Умеренный фаг tox вызывает лизогенную конверсию нетоксигенной дифтерийной палочки в токсигенную.
Бактериофаги используют:
1) в лабораторной диагностике инфекций при внутривидовой идентификации бактерий, т.е. определения фаговара. Для этого применяют метод фаготипирования. На чашку с плотной питательной средой засевают «газоном» чистой культурой возбудителя и наносят капли различных диагностических типоспецифических фагов. Фаговар бактерии определяется тем типом фага, который вызвал ее лизис. Методику фаготипирования используют для выявления источника и путей распространения инфекции (эпидемиологическое маркирование). Например, при возникновении массовых заболеваний стафилококковой этиологии в родильных домах, детских и больничных учреждениях большое значение приобретает выявление источников инфекции и установление эпидемиологических связей. Решение этой задачи возможно только методом фаготипирования стафилококков, подтверждающим идентичность микроорганизмов, выделяемых у больных, носителей и объектов внешней среды. Таким образом, при проведении эпидемиологического обследования метод фаготипирования бактерий дает возможность: устанавливать или исключать предполагаемые источники инфекции; прослеживать эпидемические связи; отличать местные случаи от «привозных» и спородические заболевания от эпидемических.
2) фаги применяют также для лечения и профилактики ряда бактериальных инфекций. Производят брюшнотифозный, сальмонеллезный, дизентерийный, синегнойный, стафилококковый, стрептококковый фаги; комбинированные: колипротейный, пиобактериофаги. Бактериофаги назначают по показаниям перорально, парентерально или местно в виде жидких, таблетированных форм, свечей, аэрозолей.
3) бактериофаги широко применяют в генной инженерии в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК.
4) для оценки санитарного состояния окружающей среды и эпидемиологического анализа.
Раздел 3.
Экология микроорганизмов.
Микроорганизмы распространены повсюду. Они заселяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и людей - экологические среды обитания микробов.
Выделяют свободноживущие и паразитические микроорганизмы. Всюду, где есть хоть какие - то источники энергии, углерода, азота, кислорода и водорода (кирпичиков всего живого), обязательно встречаются микроорганизмы, различающиеся по своим физиологическим потребностям и занимающих свои экологические ниши. Титаническая роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы.
Микроорганизмы в экологических нишах сосуществуют в виде сложных ассоциаций - биоценозов с различными типами взаимоотношений, в конечном счете обеспечивающих сосуществование многочисленных видов прокариот и различных царств жизни.
Все типы взаимоотношений микроорганизмов объединяются понятием симбиоз. Он может быть антогонистическим и синэргическим.
Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе.
Под круговоротом веществ в природе понимают циклы превращения химических элементов, из которых построены живые существа, происходящие вследствие разнообразия и гибкости метаболизма микроорганизмов.
Наибольшее значение для всего живого имеет обмен (кругооборот) углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора и железа. Этапы кругооборота различных химических элементов осуществляется микроорганизмами разных групп. Непрерывное существование каждой группы зависит от химических превращений элементов, осуществляемых другими группами микроорганизмов. Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемых микроорганизмами.
Микрофлора почвы.
Почва является основным местом обитания микробов. Состав микрофлоры складывается из многих тысяч видов бактерий, грибов, простейших и вирусов. Количество микробов зависит от состава почв и ряда других факторов, в одном грамме пахотной почвы может содержаться до 10 млрд. микроорганизмов. Среди них сапрофиты (“гнилое растение”), т.е. микроорганизмы, живущие за счет мертных органических субстратов. В процессе самоочищения почвы и кругооборота веществ принимают участие также нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и другие группы микроорганизмов.
Патогенные микроорганизмы попадают в почву с биовыделениями людей и животных (калом, мочой, мокротой, слюной, гноем, потом и др.), а также с трупами. Дольше всего в почве сохраняются спорообразующие патогенные микроорганизмы - возбудители сибирской язвы, столбняка, газовой гангрены, ботулизма, что определяет эпидемическое значение почвы при этих инфекциях. Возбудители сапронозов могут автономно обитать в почве и воде и быть связанными с почвенными и водными организмами, т.е. эта природная среда обитания для них- основной резервуар возбудителей. Почва и вода в случае сапронозов выступает в качестве источника заражения животных и людей.
Микрофлора воды.
Вода - древнейшее место обитания микроорганизмов. Пресноводные водоемы и реки отличаются богатой микрофлорой. Многие виды галофильных микробов обитает в морской воде, в том числе на глубинах в несколько тысяч метров. Численность микроорганизмов в воде в определенной степени связано с содержанием органических веществ. Серьезной экологической проблемой являются сточные воды, содержащие значительное количество микроорганизмов и органических веществ, не успевающих самоочищаться.
Санитарно- гигиеническое качество воды оценивается различными способами. Чаще определяют коли- титр и коли- индекс, а также общее количество микроорганизмов в мл. Коли - индекс - количество E.coli (кишечной палочки) в одном литре, коли- титр- наименьшее количество воды, в котором обнаруживается одна клетка кишечной палочки. Санитарно- эпидемиологическое значение определения в различных объектах микроорганизмов изучает санитарная микробиология. К числу ее основных принципов можно отнести индикацию (выявление) патогенов в объектах окружающей среды, к косвенным методам - выявление санитарно- показательных микроорганизмов, определение общей микробной обсемененности.
Вода имеет существенное значение в эпидемиологии кишечных инфекций. Их возбудители могут попадать с испражнениями во внешнюю среду (почву), со сточными водами - в водоемы и в некоторых случаях- в водопроводную сеть (брюшной тиф, холера, ротавирусы, энтеровирусы).
Микрофлора воздуха.
Воздух как среда обитания менее благоприятен, чем почва и вода- мало питательных веществ, солнечные лучи, высушивание. Главным источником загрязнения воздуха микроорганизмами является почва, меньше- вода. В видовом отношении преобладают кокки (в т.ч. сарцины), споровые бактерии, грибы, актиномицеты. Особое значение имеет микрофлора закрытых помещений (накапливается при выделении через дыхательные пути человека). Воздушно - капельным путем (за счет образования стойких аэрозолей) распространяются многие респираторные инфекции (грипп, коклюш, дифтерия, корь, туберкулез и др.).
Микробиологическая чистота воздуха имеет большое значение в больничных условиях (особо- операционные и другие хирургические отделения).