Бактериофаг является внутриклеточным или облигатным паразитом?

Бактериофаг (бактери[и] + греческий phagos пожирающий; синоним: фаг, бактериальный вирус) — вирус, способный инфицировать бактериальную клетку, репродуцироваться в ней, образуя многочисленное потомство, и вызывать ее лизис, сопровождающийся выходом фаговых частиц в среду обитания бактерии.

Впервые спонтанный лизис бактерий был описан Η. Ф. Гамалеей в 1898 году. Английский бактериолог Туорт (F. Twort) в 1915 году описал феномен «стекловидного» перерождения стафилококков и микрококков при длительном культивировании их на питательной среде. В ходе перерождения бактериальные колонии становились прозрачными и в конце концов теряли способность к пересевам. Фактор, вызывавший растворение колонии, переносился с зараженной колонии на незараженную и сохранял свою активность при разведении в 1 млн. раз.

Туорт высказал предположение, что агент, вызывающий стекловидное перерождение бактерий, является вирусом, паразитирующим в бактериальной клетке. В 1917 году канадский микробиолог д’Эрелль (F. d’Herelle) независимо от Туорта описал аналогичный феномен у дизентерийных бактерий и присвоил агенту, вызывающему гибель клеток, название «бактериофаг». Д’Эрелль (см.) заложил основы современного учения о бактериофаге.

Он считал, что фаг представляет собой фильтрующийся вирус, являющийся облигатным паразитом бактерий. Д’Эреллю удалось разработать достаточно точный метод титрования фага, используя который, он обнаружил, что в цикле взаимодействия фага с бактерией существует четыре фазы: прикрепление фага к клетке, проникновение внутрь клетки, размножение внутри клетки и лизис клетки с освобождением потомков фага в среду.

Открытие д’Эрелля привлекло к себе внимание медицинского мира в связи с надеждой использовать бактериофаг в качестве средства для лечения и профилактики инфекционных болезней (см. Фагопрофилактика, фаготерапия). Однако большинство экспериментов и исследований, проведенных в клинике, показало относительно низкую терапевтическую ценность бактериофага по сравнению с антибиотиками, что в первую очередь связано с широким распространением фагорезистентных форм бактерий и их быстрой селекцией при использовании фага в практике.

Тем не менее бактериофаг могут эффективно использоваться в диагностике инфекционных заболеваний (см. Реакция нарастания титра фагов, Фагодиагностика, Фаготипирование).

Бактериофаги, эти настоящие природные боевые машины, устроены крайне просто: их генетический материал, ДНК или РНК, упакован в белковую оболочку, снабженную «орудиями» – специальными устройствами для нападения на бактерии.

Размер генома у разных фагов может различаться. У некоторых он очень мал – (от 3,5 тыс. пар нуклеотидов), в таком геноме хранится информация всего лишь о 3—4 белках. Более того, гены, кодирующие эти белки, вынуждены перекрываться (накладываться друг на друга). Размер геномов у других фагов сопоставим с размером геномов крупных, сложно организованных вирусов многоклеточных животных, достигая 170 тыс. пар нуклеотидов (самый крупный из известных фагов содержит около 480 тыс. пар оснований!). Такой геном может кодировать уже до двухсот различных белков. Именно такие фаги обычно имеют большие размеры и сложно организованы.

Лизирующий фаг своим видом больше всего напоминает космический корабль-робот, способный стыковаться с заданным объектом. К головке фага, представляющей собой белковый резервуар с упакованной в ней ДНК, присоединен «хвост» − белковая структура наподобие щупалец, на которых расположены так называемые узнающие элементы, способные прочно связываться с рецепторами (особыми белками или полисахаридами) на поверхности бактерии.

После такой «стыковки» с бактерией-мишенью фаг прочно прилипает к ее поверхности. На одну бактериальную клетку могут одновременно напасть сотни бактериофагов, но чтобы убить ее, достаточно и одного. При этом взаимодействие фаг-клетка очень специфично: конкретный фаг может взаимодействовать лишь с определенными (целевыми) видами бактерий и не способен присоединяться к клеткам человека.

Когда фаг закрепится на поверхности бактерии, его «хвост» с помощью специальных белков внедряется в бактериальную стенку, протыкая ее. Сквозь хвостовой канал генетический материал фага вбрасывается в клетку. Генетические программы фага берут под контроль все жизнеобеспечение клетки: с этого момента все ее материальные и энергетические ресурсы, все молекулярные «машины» переключаются на синтез белков и копий генома фага.

Бактерия обречена. В течение следующего получаса в клетке синтезируются сотни и тысячи новых фаговых частиц, после чего она разрушается, высвобождая очередной отряд бактериальных «убийц».

По оценке специалистов, каждые двое суток бактериофаги уничтожают половину мировой популяции бактерий. Вот почему эти быстро размножающиеся организмы не покрыли толстым слоем всю поверхность нашей планеты – в отсутствии фагов они сделали бы это за несколько дней.

Но несмотря на такую высочайшую антибактериальную эффективность фагов, бактерии все же не исчезли с лица планеты. Дело в том, что в течение многих миллионов лет шла совместная эволюция этих организмов, которую было бы точнее назвать «гонкой вооружений». Благодаря мутациям фаги «изобретали» все новые средства и приемы ведения войны, а бактерии, в свою очередь, хитроумные средства защиты.

Например, ДНК всех бактерий несет на себе особые метки (метилированные основания), и специальные бактериальные ферменты рестрикции расщепляют любую ДНК, на которой таких меток нет, в том числе и фаговую. Однако некоторые фаги научились имитировать такие метки и таким способом обходить защиту.

Еще один защитный механизм бактерий – изменение поверхностных рецепторов: в этом случае фаг просто не может узнать «свою» бактерию. В ответ на это появляются фаги, несущие измененные узнающие элементы, которые способны связываться с новыми бактериальными рецепторами. Имеется несколько механизмов подобной модификации генетических программ у фагов и бактерий. Мутации могут возникать случайно, в ходе генетического копирования. Кроме того, с помощью рекомбинации (генетического перераспределения) разные виды фагов могут обмениваться фрагментами своего генома и даже захватывать фрагменты генома бактерий.

К слову сказать, с точки зрения медицины, изменение рецепторов болезнетворной бактерии может быть благом для человека, поскольку именно бактериальные рецепторы служат факторами вирулентности, определяющими выживание и размножение возбудителя в организме-хозяине. И устойчивые к фагу мутанты обычно являются менее патогенными по сравнению со своими предшественниками.

Бактериофаги применяются при:

• трофических язвах,
• раневых инфекциях,
• инфекциях органов дыхания,
• мочеполовой системы,
• желудочно-кишечных тракта,
• болезнях лор-органов и др. заболеваниях.

Инфекции желудочно-кишечного тракта, вызванные сальмонеллой, золотистым стафилококком, протеем, и др. и сопровождающиеся диареей (поносами), успешно лечатся бактериофагами.

Применяться бактериофаги при острых кишечных инфекциях могут:

• в виде монотерапии при легких формах,
• в сочетании с антибиотиками при:
  • средне-тяжелых формах болезни,
  • бактерионосительстве – выделении энтеропатогенных бактерий,
  • комплексной терапии условно-патогенной флоры и нарушении микробиома (микрофлоры) кишечника.

Используются бактериофаги в дерматологии, в детской практике, хирургии. С профилактической целью — в детских садах и школах для предотвращения эпидемий, например, дизентерии. Бактериофаги уже более 100 лет на службе человека. Может быть, как раз сейчас начинается эпоха бактериофагов. В новосибирском научном центре разрабатываются технологии персонализированного лечения. Медицинские центры Франции, Бельгии, Швейцарии проводят клинические исследования коктейлей бактериофагов.

Важным условием успешного лечения бактериофагами является знание микрофлоры тех органов, где предполагается бактериальная инфекция. Ниже приведены необходимые исследования микрофлоры для различных очагов заражения:

В настоящее время при выявлении бактериального возбудителя болезни есть возможность определить его чувствительность к бактериофагу. Перед началом лечения необходимо пройти это обследование.

Бактериофаги хранятся в холодильнике при температуре 2-8 градусов.

Бактериофаги — это крупные частицы. Они трудно проникают в ткани органов, поэтому лучше вводить их при лечении прямо к месту локализации инфекции. Это могут быть ингаляции при легочной патологии, промывания при лор-заболеваниях, аппликации при трофических язвах, ожогах, ранах. При инфекциях мочевыводящих путей для достижения успеха препараты бактериофагов вводятся в полость мочевого пузыря (хронический цистит).

Для внутреннего употребления есть бактериофаги во флаконах по 20 мл, 4 флакона в упаковке. Перед употреблением флакон следует подержать в руке, согреть, перелить в чистую посуду и принять внутрь. Принимать 2 раза в день натощак и после ужина, курс лечения 6 дней.

Есть упаковки по 50 мл и 100 мл. Поскольку следует максимально сохранять стерильность препарата (при помутнении запрещён его приём), необходимый для однократного приёма объём следует набирать в шприц.

В настоящее время проводят лечение бактериофагами диабетической стопы. Из больных тканей берут мазок для выявления конкретных патогенных бактерий. Затем из коллекции бактериофагов подбирают те, которые способны ликвидировать именно эти бактерии. Бактериофаг наносят на стерильную салфетку, прикладывают к ране. Лечение около недели.

Бактериофаги применяются в медицине местно или внутрь. Еще в 30-ые годы прошлого столетия бактериофаги доказали свою безопасность и высокую эффективность в клинических условиях. Но покупать бактериофаги и лечиться самостоятельно не стоит.

Не всегда бактериофаги могут заменить антибиотики. Так, если имеет место острая ситуация, когда заподозрена бактериальная инфекция, но нет времени определить бактериальный фон болезни, чтобы подобрать препарат бактериофаг, то применяется лечение антибиотиками. При хронических инфекционных болезнях, когда установлена нечувствительность бактерий к антибиотикам и бактериальный фон заболевания, предпочтение следует отдать бактериофагам.

Хотя бактериофаги, возможно, не смогут полностью заменить антибиотики, но вместе они могут бороться со многими серьезными болезнями в клинической практике.

Частые вопросы

Какова природа бактериофага – внутриклеточный или облигатный паразит?

Бактериофаг является внутриклеточным паразитом, так как он инфицирует и размножается внутри бактериальной клетки.

Как бактериофаг взаимодействует с бактерией?

Бактериофаг проникает внутрь бактериальной клетки и использует ее механизмы для собственного размножения, что в конечном итоге приводит к лизису (разрушению) бактериальной клетки.

Полезные советы

СОВЕТ №1

При изучении темы “Бактериофаг является внутриклеточным или облигатным паразитом”, обратите внимание на различия между внутриклеточными и внеклеточными паразитами, чтобы понять, к какой категории относится бактериофаг.

СОВЕТ №2

Изучите механизм взаимодействия бактериофага с бактерией, чтобы понять, каким образом бактериофаг использует бактерию в качестве хозяина для своего размножения.