Contribution to International Economy

  • Бактеріофаги як фактор еволюції мікроорганізмів та мінливості видів
ЗМІСТ
Вступ 3
1. Загальна характеристика бактеріофагів 4
1.1. Будова та хімічний склад бактеріофагів 4
1.2. Розмноження та життєвій цикл бактеріофагів 6
2. Бактеріофаги як фактор еволюції мікроорганізмів 11
2.1. Трансдукція як засіб передачи генетичного мотеріалу 11
2.2 Механізм переносу фрагментів ДНК бактерії 12
2.2.1 Загальна (неспецифічна) трансдукція 12
2.2.2 Специфічна трансдукція 13
Висновок 14
Список використаних джерел 15

 
Вступ
Бактеріофаги (від бактерії і греч. phagos - пожиратель; буквально - пожирателі бактерій), фаги, бактеріальні віруси, що викликають руйнування (лізис) бактерій і інших мікроорганізмів. 
Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенїї, а й щодо з'ясування ролі профагів як додаткових генетич¬них факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізоген-ній клітині, дістали назву лізогенних конверсій. Слід зазначити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біології ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.
Метою роботи є дослідження процесу трансдукції бактеріофагів як фактору еволюції мікроорганізмів та мінливості видів.
Для досягнення зазначеної мети в роботу були вирішені наступні завдання:
проаналізувати будову і хімічний склад бактеріофагів;
охарактеризувати життєвий цикл бактеріофагів;
визначити механізм трансдукції і передачи генетичного матеріалу як вирішального фактора мінливості ознак і еволюції мікроорганізмів.
Об’єкт дослідження – бактеріальні віруси.
Предмет дослідження – процес трансдукції і передачи генетичного матеріалу між вірусами та мікроорганізмами.

 
1. Загальна характеристика бактеріофагів
1.1. Будова та хімічний склад бактеріофагів
Припущення, що бактеріофаги мають корпус¬кулярну природу, було висунуто ще Ф. д'Ерелєм. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про мор¬фологію та основні особливості фагів Грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи — ТІ, Т2, ., Т7, які розмножуються на Е.соїі штаму В. Однак з кожним роком з'являлися нові дані щодо морфо¬логії і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їх¬ньої морфологічної класифікації [3, 4].
Фаги можна поділити з огляду на ускладнення їх¬ньої структури (що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п'ять основних груп [1, 12].
До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують віріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700—850 нм), які складаються з трубкоподібного капсйду зі спіраль¬ним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.
Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної фор¬ми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві під¬групи. Фаги першої підгрупи (S13, ф х 174 та ін.) мають одноланцю-гову ДНК, а фаги другої підгрупи — ß, fr, MS2, R17, М12 — РНК.
До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актино¬міцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка ви¬діляють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm, typhimurium) — ко¬роткий відросток з базальною пластинкою.
До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відрос¬тком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, X та інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.
П'яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чох¬ла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені.
Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простий; по суті фаги є нуклеопротещами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки) [14]. У головці булавоподібних фагів є також внутріш¬ній білок (3-7 % загального вмісту білка). У фагів виявлено фермен¬ти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нук-леаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клі¬тиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо [2].
 
 Рис. 1. Структура бактеріофагу
1 — білкові субодиниці капсиду; 
2 — головка фага; 
3 — ДНК; 
4 — відросток; 
5 — футляр; 
6 — стрижень; 
7 — пластинка з шістьма зубцями; 
8— нитки відростка
Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кисло¬ти. У фагів, як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага.
У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5-10,5 %), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу.
1.2. Розмноження та життєвій цикл бактеріофагів 
Застосування електронної мікроскопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами. В цьому про¬цесі розрізняють два типи взаємодії — літичний і лізогенний. Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої кліти¬ни і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.
Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин; 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину; 3) латентний період (екліпс) внутрішньо¬клітинного розвитку фага; 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів [5].
Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів — адсорбцію. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна плас¬тинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах — специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв'язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.
Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спо¬стерігати в електронний мікроскоп. Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.
Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермен¬та типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбу¬вається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі де¬тально не з'ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фаго-чутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фага-ми, в яких відростки не скорочуються [6].
З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною — латентний (прихований) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15—40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інфор¬мації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бакте¬ріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових час¬тинок фага.
На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низ¬ки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини [9].
Дещо пізніше в клітині починається синтез «пізніх» білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: голо¬вок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага від¬повідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох де¬сятків до кількох сотень фагових частинок.
Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з'являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на суб¬клітинному молекулярному рівні.
Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.
Водночас із формуванням дозрілих віріонів у бактеріальній клі¬тині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінки; з їхньою допомогою здійснюєть¬ся четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною — лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів на¬зовні.
Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними є й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нор¬мально розмножується і стає носіями відповідних помірних або сим¬біотичних фагів. 
Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізогенії.
Докладне вивчення показало, що існують псевдолізогенні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Пере¬важна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тіль¬ки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні — це культури, в яких кожна бактерія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його [13].
Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізогенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної кліти¬ни, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізоген-ній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.
 

Рис. 2 Життєвий цикл бактеріофагів
Фаг наближається до бактерії, і хвостові нитки зв'язуються з рецепторними ділянками на поверхні бактеріальної клітини. 
Хвостові нитки згинаються і «заякорюють» шипи і базальну платівку на поверхню клітини; хвостовий чохол скорочується, примушуючи порожнистий стрижень входити в клітину; цьому сприяє фермент — лизоцим, що знаходиться в базальній платівці; у такий спосіб ДНК вводиться всередину клітини. 
ДНК фага кодує синтез ферментів фага, використовуючи для цього апарат, що синтезує, (рибосоми тощо) хазяїна. 
Фаг тим або іншим засобом інактивує ДНК хазяїна, а фермент фага зовсім розщеплює її; ДНК фага підкоряє собі клітинний апарат. 
ДНК фага реплікується і кодує синтез нових вивірок. 
Нові частки фага, що з'явилися в процесі спонтанної самозбірки білкової оболонки навколо фагової ДНК; під контролем ДНК фагів синтезується лизоцим. 
Утворюються вірусні частини
Лізис клітини, тобто клітина лопається під впливом лизоцима; вивільняються близько 200—1000 нових фагів; фаги індукують інші клітини. 
Важливою властивістю лізогенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв'язку з цим вивчення помірних фагів лізоген¬ної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізогенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.
Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифтерійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пеніцилу тощо [10].
Профаг лізогенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в резуль¬таті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмно¬жуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактеріоцинів є дефектни¬ми фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.
 
2. Бактеріофаги як фактор еволюції мікроорганізмів
2.1. Трансдукція як засіб передачи генетичного мотеріалу
Трансдукція (від лат. transductio— переміщення)— форма горизонтального переносу генів, при якій передача генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої відбувається за допомогою віруса (бактеріофага у випадку бактерій), що, як і у випадку інших форм горизнотального переносу генів, призводить до зміни спадкових властивостей.
Явище трансдукції було відкрите американськими ученими Д. Ледербергом і Н. Циндером у 1952 році. Особливі бактеріальні віруси — помірні фаги — у процесі вегетативного розмноження спроможні випадково захоплювати і переносити в інші клітини будь-які ділянки ДНК, зруйнованих ними клітин. Довжина стерпного відрізка ДНК визначається розміром білкової оболонки фагової частини і звичайно не превищує 1-2 % бактеріального генома. Стерпний відрізок може містити декілька генів [2].
Оскільки можливість успішної трансдукції залежить від відстані між генами в молекулі ДНК, що утворять хромосому бактерії, явища трансдукції широко використовується при складанні генетичних карт хромосом бактерій. Гнетичний матеріал фага в таких частках відсутній. Тому при запровадженні ДНК у клітину вони не здійснюють усі функції фага: розмноження, руйнація клітини. Внесений фрагмент може існувати в клітині у виді додаткового генетичного елементу, що володіє функціональною активністю. Такий фрагмент неспроможний відтворюватися при кожному поділі клітини, тому він передається в одну з дочірніх клітин. За винятком цієї клітини властивість всіх інших нащадків не змінюються. Надалі фрагмент може бути або зруйнований, або внесений у хромосому бактерії, замінивши в ній гомологічну ділянку ДНК. У останньому випадку нові ознаки, придбані клітиною — трансдуктантом, будуть властиві всім нащадкам клітини.
Існує група бактеріофагів, спроможних переносити лише визначені гени, розташовані поруч з місцем входження геному фага в хромосому бактерії при руйнації (лізогенизації).
 
Рис. 3 Схема трансдукції
2.2 Механізм переносу фрагментів ДНК бактерії
2.2.1 Загальна (неспецифічна) трансдукція
Здійснюється фагом P1, що існує в бактеріальній клітині у вигляді плазміди, фагами P22 і Mu, що вбудовуються в будь-яку ділянку бактеріальної хромосоми. Після індукування профагу з імовірністю в 10-5 на одну клітину можливе помилкове впакування фрагменту ДНК бактерії в капсид фага, ДНК самого фага в ньому в цьому випадку відсутня. Довжина цього фрагмента дорівнює довжині нормальної фагової ДНК, його походження може бути любим: випадкова ділянка хромосоми, плазміда, інші помірні фаги [8].
Потрапляючи в іншу бактеріальну клітину, фрагмент ДНК може включатися в її геном, звичайно шляхом гомологичной рекомбінації. Перенесені фагом плазмиіди здатні замикатися в кільце й реплицироватися вже в новій клітині. У ряді випадків фрагмент ДНК не вбудовується в хромосому реципієнта, не репликується, але зберігається в клітині й транскрибується. Це явище зветься абортивної трансдукції.
2.2.2 Специфічна трансдукція
Найбільше добре вивчена специфічна трансдукція на прикладі фага λ. Цей фаг вбудовується тільки в одну ділянку (att-сайт) хромосоми E. coli з певною послідовністю нуклеотидів (гомологічної att-ділянки в ДНК фага). Під час індукції його виключення може пройти з помилкою (імовірність 10-3-10-5 на клітину): вирізує фрагмент тих же розмірів що й ДНК фага, але з початком не в тім місці. При цьому частина генів фага губиться, а частина генів E. coli захоплюється їм. Імовірність переносу гену в цьому випадку падає при збільшенні відстані від нього до att-сайту [13].
Для кожного специфічно вбудованого в хромосому помірного фага характерні свій att-сайт і, відповідно, розташовані поруч із ним гени, які він здатний передавати. Ряд фагів може вбудовуватися в будь-яке місце на хромосомі й переносити будь-які гени по механізму специфічної трансдукції. Крім того, у хромосомі звичайно є послідовності, частково гомологічні att-ділянці ДНК фага. При ушкодженні повністю гомологичного att-сайту можна домогтися включення фага в хромосому по цих послідовностях і передачу в ході специфічної трансдукції генів, сусідніх уже з ними [14].
Коли помірний фаг, що несе бактеріальні гени, вбудовується в хромосому нової бактерії-хазяїна, вона містить уже два однакових гени - власний і принесений ззовні. Оскільки фаг позбавлений частини власних генів, часто він не може індуцироватися й розмножитися. Однак при зараженні цієї ж клітини «допоміжним» фагом того ж виду, індукування дефектного фага стає можливим. Із хромосоми виходять і репликуються як ДНК нормального «допоміжного» фага, так і ДНК дефектного, разом зі стерпними їм бактеріальними генами. Тому близько 50% що утворяться фагових часток несуть бактеріальну ДНК. Це явище зветься трансдукції з високою частотою (HFT від англ. high frequency transduction).

 
Висновок
Таким чином, проаналізувавши теоретичний матеріал можна зробити висновок, що бактеріофаги здатні впливати на мінливість мікроорганізмів шляхом трансдукції за нижченаведеним механізмом.
Особливі бактеріальні віруси - помірні фаги в процесі вегетативного розмноження здатні випадково захоплювати й переносити в інші клітини будь-які ділянки ДНК лізуємих, тобто бактерій, які руйнують ними. Внесений фрагмент може існувати в клітині у вигляді додаткового генетичного елемента, що володіє функціональною активністю. Оскільки такий фрагмент не здатний відтворюватися, при кожному клітинному розподілі він передається лише в одну з дочірніх клітин. За винятком цієї клітини властивості всього іншого потомства залишаються без змін (абортивна трансдукція). Надалі фрагмент може бути або зруйнований, або включений у бактерії, замінивши в ній гомологічну ділянку ДНК. В останньому випадку нові ознаки, придбані клітиною-трансдуктантом, будуть властиві всьому потомству цієї клітини (повна трансдукція).
Існує група бактеріофагів, здатних трансдуцувати лише певні гени, розташовані поруч із місцем включення геному фага в бактерії при лізогенізації (обмежена, або специфічна, трансдукція). Такі трансдуцийовані фагові частки, які утворяться в результаті випадкового порушення точності процесу виходу профагу з бактеріальної містять молекулу ДНК, що складається із залишку фагового генома й фрагмента бактеріального генома. У більшості випадків вони не можуть самостійно розмножуватися або лізогенізувати бактерії через втрату частини фагового геному (до 30%). Генетичний матеріал трансдуцийованих часток може зберігатися в клітині в автономному стані або в якості профагу включитися в ДНК бактерії. Однак в обох випадках частина потомства відновлює вихідні властивості через втрату профагу. Стабільна трансдукція досягається тільки у випадку включення бактеріального фрагмента профага в геном бактерії в результаті обміну на гомологичній ділянці.

 
Список використаних джерел
Раутенштейн Я. И., Бактериофагия, М., 1955; Кривиский А. С., Проблемы бактериофагии, в сборнике: Актуальные вопросы вирусологии, М., 1960
Гольдфарб Д. М., Бактериофагия, М., 1961
Raettig Н., Bakteriophagie. 1917-1956, Тl 1-2, Stuttg., 1958
Raettig Н., Bakteriophagie. 1957-1965, Bd 1-2, Stuttg., 1967.
Стент Г., Молекулярная биология вирусов бактерий, пер. с англ., М., 1965; 
Стент Г., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974, гл. 14.
Асланов Б. И. Обоснование применения бактериофага для борьбы с синегнойной инфекцией в травматологическом стационаре. Автореферат диссертации. - СПб.: СПбГМА им. Мечникова, 2001.- 24 с. 
Ахвердян В.З. Эволюция бактериофагов. Автореферат диссертации. - М.: ГНИИ генетики и селекции пром. Микроорганизмов, 1996. 
Бойцов А.Г., Ластовка О.Н., Порин А.А., Косякова К.Г., Нилова Е.Ю. Бактериофаги. - СПб: СПбГМА им. Мечникова, 2006. - 100с. 
Букринская А. Я. Вирусология. М.: Медицина, 1986. 336 с. 
Шуб Г.М., Швиденко И.Г., Корженевич В.И., Лунева И.О. Основы медицинской бактериологии, вирусологии и иммунологии.- М.: Логос, 2003. 264 с. 
Баев А.А. Бактериофаги. Пущино.: НЦБИ, 1982. С. 3. 
Крюгер Д., Роитер М., Шредер К. Молекулярная биология взаимодействия вирус-клетка хозяина бактериофагов Т3 и Т7 // Актуальные вопросы бактериофагии и прикладной иммунологии: Материалы всесоюзн. симпоз. Тбилиси, 1984.- С.- 132-133. 
Векірчик К.М. Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. – К.: Либідь, 2001. – 312 с.


Другие работы по теме: