Вирусы бактерий: бактериофаги

Вирусы бактерий: бактериофаги

Три столетия прошло с тех пор, как голландский коммерсант Антони ван Левенгук первым из людей увидел микробы в им же самим сконструированный микроскоп. Сейчас даже ребенок знает, что мир вокруг нас кишит бактериями. И вот оказалось, что почти каждый известный в настоящее время вид бактерий может заражаться одним или несколькими вирусами. Такие вирусы называются бактериофагами (то есть "пожирателями бактерий") или просто фагами.

Представим, что в прозрачный мясной бульон попали бактерии. Почувствовав себя как дома, они начинают размножаться. Их численность быстро увеличивается, и бульон мутнеет. Если к этой растущей культуре бактерий добавить бактериофаг, то часть бактериальных клеток окажется зараженной. Впрочем, вначале может показаться, что ничего не произошло: никаких видимых изменений ни в бульоне, ни в зараженных клетках не наблюдается. Так может продолжаться несколько минут, или час, или еще дольше. Затем внезапно происходит разрушение зараженных клеток, они лопаются, будто взрываются изнутри. При этом из разрушенной бактерии высвобождается большое количество новых фаговых частиц – потомков того фага, что проник в бактериальную клетку и заразил ее. Они похожи одна на другую и на исходную фаговую частицу, как две капли воды. Эти частицы в свою очередь заражают другие бактерии, процесс повторяется, и через несколько часов все бактерии оказываются уничтожены, а бульон вновь становится прозрачным.

Прозрачные пятна, образованные фагом на бактериальном газоне

Бактерии могут жить и размножаться не только в жидкости, но и на твердой питательной среде, например, на поверхности студня или желе. В этом случае они усеивают поверхность отдельными колониями или покрывают ее равномерной пленкой ("газоном", как принято выражаться на лабораторном жаргоне). Отдельную бактерию нельзя рассмотреть без микроскопа, а вот их скопления – колонии или газон – хорошо видны невооруженным глазом. Когда среди бактериальных клеток, образующих газон, оказываются зараженные, фаг последовательно разрушает вначале их, а затем окружающие клетки. В результате в газоне образуются округлые прозрачные зоны, прогалины; мутноватая бактериальная пленка выглядит в некоторых местах как бы продырявленной.

С тех пор как Роберт Кох впервые разработал желеобразную среду для выращивания бактерий, прошло более ста лет, и образование таких зон, равно как и внезапное просветление бульона наблюдали, должно быть, многие микробиологи. Наблюдать–то наблюдали, но только двум из них – Фредерику Туорту и Феликсу Д’Эррелю – пришло в голову, что причиной таких изменений может быть гибель бактерий в результате вирусной инфекции.

В 1910 году в Мексике Д’Эррель изучал, смешно сказать, понос у саранчи. Высевая испражнения больных насекомых на поверхность твердой среды – питательного агара – Д’Эррель обнаружил рост каких–то бактерий. Выросшую культуру микроба он наносил на растения, саранча пожирала такие растения и заболевала. На первый взгляд этот результат казался неизмеримо важнее того наблюдения, что некоторые газоны, случалось, бывали усеяны мелкими прозрачными пятнами, совершенно круглыми, диаметром два–три миллиметра. Ну пятна, ну круглые – наверное, была допущена какая–то ошибка, и надо попробовать более аккуратно посеять газон. Даже опытный ученый порой не сразу схватывает смысл неожиданного явления.

В JL915 году Д’Эррель работал уже в Пастеровском институте в Париже. Шла Первая мировая война, а эпидемия дизентерии, разразившаяся в одной из кавалерийских частей, подрывала боеспособность французской армии. Изучая причины эпидемии, Д’Эррель снова обнаружил прозрачные пятна на газоне шигелл (микробов, вызывающих дизентерию). Содержимое этих пятен нельзя было разглядеть в микроскоп, но мутные бульонные культуры, куда его добавляли, становились совершенно прозрачными. Бактерии, по словам Д’Эрреля, растворялись, как сахар в воде! "В одну секунду я понял, – пишет Д’Эррель, – что образование прозрачных пятен вызывалось невидимым вирусом, который паразитирует на микробах".

Д’Эррель не знал, что в этом же 1915 году появилась статья англичанина Фредерика Туорта, который обнаружил похожее явление при изучении других микроорганизмов – микрококков. Он предположил, что возбудителем может быть вирус, заражающий микрококки, развивающийся на них и разрушающий их. Работа Туорта тогда вообще осталась незамеченной и лишь через несколько лет внезапно привлекла к себе внимание в результате бума, возникшего после аналогичного открытия Д’Эрреля. Д’Эррель был и автором названия вирусов бактерий – "бактериофаги". С тех пор открыто огромное количество бактериофагов, паразитирующих на самых разных микроорганизмах, но название, присвоенное им Д’Эррелем, сохранилось до сих пор. Правда, сейчас их чаще называют просто фагами.

Фаги встречаются повсюду, где есть бактерии – в почве, в океане, в организме человека, в пищевых продуктах и в сточных водах. Фаг кишечной палочки fd ("эфдэ") обнаружили впервые в канализации Манхеттена. Другой паразит кишечной палочки фаг Qb ("кью–бэта") был выловлен в канализации города Киото – древней столицы Японии. Несколько фагов бацилл были впервые выделены из садовой земли и из перепревшего сена.

Как устроены бактериофаги

Хотя среди бактериофагов встречаются формы, напоминающие вирусы животных или растений, чаще всего они отличаются по внешнему виду от тех и от других. Вирион подавляющего большинства фагов состоит, грубо говоря, из двух частей: головки и хвостового отростка, или попросту хвоста. Головка может быть округлой или более или менее вытянутой; внутри головки упакована нуклеиновая кислота – генетический материал фага. Чаще всего это двунитевая линейная молекула ДНК. Отростки различаются сильнее. Во–первых, они могут быть разной длины, характерной для данного вида фага. Встречаются фаги с очень длинными и гибкими отростками. Встречаются фаги с таким коротким хвостом, что он едва заметен даже при разглядывании фага в электронный микроскоп. Одним концом отросток прикреплен к фаговой головке, а другой, свободный конец обычно выглядит утолщенным, как бы расплющеным, отчего несколько похож на шляпку гвоздя: эта структура называется базальной пластинкой. У некоторых фагов к базальной пластинке крепятся длинные нити – фибриллы. Фибриллами фаг ощупывает поверхность бактерии, чтобы узнать, подходит ли она для заражения, и, если подходит, фаг швартуется к бактериальной стенке. Фибриллы, как канаты, притягивают фатовую частицу к поверхности бактерии и удерживают ее там.

Распространенные формы бактериофагов: 1 – фаг с икосаэдрической головкой и длинным отростком, на конце которого расположена базальная пластинка: 2 – фаг с коротким отростком и шестью фибриллами; 3 – сферический фаг с выступами на поверхности вириона; 4 – сферический фаг с коротким отростком; 5 – нитевидный фаг

На поверхности многих бактерий есть нитевидные выросты – жгутики, с помощью которых бактерии передвигаются. И некоторые фаги наловчились набрасывать фибриллы на эти жгутики, как набрасывают лассо, соскальзывать по ним к поверхности бактерии и заякориваться там. Фаги, лишенные фибрилл, прикрепляются к поверхности бактерии непосредственно базальной пластинкой.

Отросток внутри полый; вдоль него проходит канал, по которому нуклеиновая кислота из головки фага проникает в клетку бактерии. До поры до времени внешний конец отростка запечатан базальной пластинкой.

У некоторых фагов отросток зачехлен, и этот чехол может сжиматься, как пружина. Когда фаг сталкивается с бактериальной клеткой и фиксируется на ней, чехол резко укорачивается, и находящийся внутри чехла отросток пронизывает стенку бактериальной клетки.

Так выглядит большинство вирусов бактерий, но не все. Генетический материал некоторых фагов представлен однонитевой молекулой ДНК, замкнутой в кольцо. Например, таким образом устроен генетический материал фага fd. Нитевидные частицы этого фага – одни из самых тонких из встречающихся в природе. Их толщина едва превышает 5 нанометров, зато длина составляет почти 900 нанометров. Встречаются фаги, лишенные отростка, и фаги со сферической формой вирусной частицы. Одни из самых мелких вирусов – это фаги, генетический материал которых представлен однонитевой молекулой РНК. Их икосаэдрические частицы имеют диаметр около 25 нанометров. А в Северном море обнаружили фаг совершенно богатырских размеров: диаметр головки составлял 340–400 нанометров, а длина хвоста достигала почти 3000 нанометров. По сравнению с другими фагами это просто слон среди овец.

Этой бактерии ужасно не повезло – ее атакуют сразу три вида фагов. 1 – бактерия;2 – половой пиль; 3 – фаг с сократившимся отростком;4 – сферический фаг; 5 – нитевидный фаг