БАКТЕРИОФА́ГИ

Основные морфологические типы частиц бактериофагов: а – ДНК-содержащие фаги; б – РНК-содержащие фаги.

БАКТЕРИОФА́ГИ, фа­ги (от бак­те­рии и греч. φάγος – по­жи­ра­тель), ви­ру­сы бак­те­рий. От­кры­ты не­за­ви­си­мо англ. ви­русо­ло­гом Ф. Ту­ор­том (1915) и ка­над. бак­те­рио­ло­гом Ф. Д’Эррелем (1917). Яв­ля­ясь об­ли­гат­ны­ми па­ра­зи­та­ми, Б. раз­ви­ва­ют­ся толь­ко в жи­вых, ак­тив­но ме­та­бо­ли­зи­рую­щих бак­те­ри­ях. Ак­тив­ная фор­ма Б., т. н. ве­ге­та­тив­ный фаг, пред­став­ля­ет со­бой его ре­п­ли­ци­рую­щий­ся и экс­прес­си­рую­щий­ся внут­ри клет­ки ге­не­тич. ма­те­ри­ал. Б. об­на­ру­же­ны во мно­гих (но не во всех) ис­сле­до­вав­ших­ся с этой це­лью ви­дах бак­те­рий. Как пра­ви­ло, ка­ж­дый Б. раз­ви­ва­ет­ся лишь в бак­те­ри­ях од­но­го ви­да, хо­тя встре­ча­ют­ся т. н. по­ли­ва­лент­ные Б., ко­то­рые па­ра­зи­ти­ру­ют в бак­те­ри­ях раз­ных ви­дов.

Фа­го­вая час­ти­ца со­сто­ит из мо­ле­ку­лы нук­леи­но­вой ки­сло­ты (ге­ном Б.), за­клю­чён­ной в кап­сид – бел­ко­вую обо­лоч­ку, ко­то­рая со­хра­ня­ет ге­ном вне клет­ки. Б. раз­но­об­раз­ны по фор­ме. Не­ко­то­рые из них име­ют вид мно­го­гран­ни­ков с диа­мет­ром кап­си­да 20–30 нм (φX174, F2, R17, MS2) или ни­тей дли­ной до 800 нм (fd, M13). Бо­лее слож­но уст­ро­ен­ные Б. (T-фа­ги, фаг лям­бда и др.) име­ют ико­са­эд­рич. го­лов­ку (диа­метр ок. 100 нм) и от­рос­ток («хвост»), с по­мо­щью ко­то­ро­го осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кон­такт с клет­кой.

Б. клас­си­фи­ци­ру­ют, ис­хо­дя из мор­фо­ло­гич. осо­бен­но­стей час­тиц (фор­ма го­лов­ки, на­ли­чие хво­ста, его раз­мер и спо­соб­ность к со­кра­ще­нию) и сход­ст­ва ге­но­мов и кон­тро­ли­руе­мых ими бел­ко­вых про­дук­тов. Ге­но­мы раз­ных Б. вклю­ча­ют от неск. ге­нов у мел­ких Б. до неск. со­тен ге­нов у ги­гант­ских ви­ру­лент­ных Б. У боль­шин­ст­ва Б. ге­ном пред­став­лен двух­це­по­чеч­ной ДНК. Опи­са­ны так­же Б. с од­но­це­по­чеч­ной ДНК (M13, S13, φ X174) или РНК (MS2, Qβ ). Мо­ле­кулы нук­леи­но­вых ки­слот мо­гут иметь раз­ные раз­ме­ры и на­хо­дить­ся в ли­ней­ной, фраг­мен­ти­ро­ван­ной или коль­це­вой фор­ме. У не­ко­то­рых Б. (напр., фаг лям­бда) ге­ном име­ет ли­ней­ную фор­му, но по­сле по­па­да­ния в клет­ку за­мы­ка­ет­ся в коль­цо.

Бактериофаг T4: а – схема строения вирусной частицы; б – размножение в клетке-хозяине (кишечная палочка).

Б. при­кре­п­ля­ют­ся к спе­ци­фич. ре­цеп­то­рам на по­верх­но­сти бак­те­ри­аль­ной клет­ки. Про­ник­но­ве­ние фа­го­во­го ге­но­ма в клет­ку со­про­во­ж­да­ет­ся от­де­ле­ни­ем нук­леи­но­вой ки­сло­ты от боль­шей час­ти кап­сид­ных бел­ков, ко­то­рые ос­та­ют­ся сна­ру­жи. С это­го мо­мен­та до по­яв­ле­ния пер­вой зре­лой фа­го­вой час­ти­цы про­ис­хо­дит стро­го упо­ря­до­чен­ная во вре­ме­ни эск­прес­сия раз­ных ге­нов Б. – ран­них и позд­них. Груп­па ран­них ге­нов транс­кри­би­ру­ет­ся фер­мен­том РНК-по­ли­ме­ра­зой: ли­бо бак­те­ри­аль­ной, ли­бо ко­ди­руе­мой фа­гом (в по­след­нем слу­чае её мо­ле­ку­лы вво­дят­ся вме­сте с ге­но­мом); они кон­тро­ли­ру­ют ре­п­ли­ка­цию ге­но­ма, мо­ди­фи­ка­цию бак­те­ри­аль­ной мем­бра­ны. Позд­ние ге­ны, как пра­ви­ло, транс­кри­би­ру­ют­ся с вновь об­ра­зую­щих­ся ге­но­мов. При их уча­стии по­яв­ля­ют­ся бел­ки кап­си­да, уча­ст­вую­щие в сбор­ке ви­рио­на, упа­ков­ке ге­не­тич. ма­те­риа­ла и обес­пе­чи­ваю­щие раз­ру­ше­ние бак­те­рии в оп­ре­де­лён­ное вре­мя. Об­ра­зо­ва­ние отд. струк­тур­ных эле­мен­тов час­тиц Б. на­по­ми­на­ет кон­вей­ер­ную сбор­ку. На по­след­нем эта­пе про­ис­хо­дит упа­ков­ка ге­но­ма в кап­сид.

В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра взаи­мо­дей­ст­вия с клет­кой Б. де­лят на три груп­пы. За­ра­же­ние клет­ки ви­ру­лент­ны­ми Б. (напр., T-чёт­ны­ми фа­га­ми ки­шеч­ной па­лоч­ки) при­во­дит к раз­ру­ше­нию (ли­зи­су) бак­те­рии и вы­сво­бо­ж­де­нию фа­го­во­го по­том­ст­ва. Для уме­рен­ных Б. (в т. ч. фа­ги лям­бда, Mu1, P1 и P2 эн­те­ро­бак­те­рий) воз­мож­ны два пу­ти раз­ви­тия – ли­ти­че­ский (сход­ный с раз­ви­ти­ем ви­ру­лент­ных фа­гов) и ли­зо­ген­ный (см. Ли­зо­ге­ния), за­вер­шаю­щий­ся ус­та­нов­ле­ни­ем в клет­ке про­фа­га – скры­той не­ин­фек­ци­он­ной фор­мы ви­ру­са. При этом ге­ном Б. встраи­ва­ет­ся в бак­те­ри­аль­ную хро­мо­со­му или на­хо­дит­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, так же как плаз­ми­да. Бак­те­рия, не­су­щая про­фаг, на­зы­ва­ет­ся ли­зо­ген­ной; она ус­той­чи­ва к по­втор­но­му за­ра­же­нию этим Б. При оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях (об­лу­че­ние, дей­ст­вие хи­мич. реа­ген­тов) мо­жет про­изой­ти ак­ти­ва­ция про­фа­га и раз­ви­тие Б. про­дол­жит­ся по ли­тич. пу­ти. Б. треть­ей груп­пы (в т. ч. fd и M13) име­ют не­пре­рыв­ный цикл раз­ви­тия. Они по­сто­ян­но раз­мно­жа­ют­ся в клет­ке, а жиз­не­спо­соб­ное фа­го­вое по­том­ст­во уда­ля­ет­ся из неё че­рез осо­бые по­ры в кле­точ­ной обо­лоч­ке. Од­на­ко не все­гда уда­ёт­ся од­но­знач­но от­не­сти при­род­ные Б. к той или иной груп­пе: уме­рен­ные фа­ги мо­гут об­ра­зо­вы­вать ви­ру­лент­ные му­тан­ты, а ге­но­мы ис­тин­но ви­ру­лент­ных фа­гов (или их фраг­мен­ты) мо­гут встраи­вать­ся в хро­мо­со­мы бак­те­рий.

Ге­не­тич. ап­па­рат Б. под­вер­жен из­ме­не­ни­ям, ко­то­рые мо­гут про­ис­хо­дить в ре­зуль­та­те об­ме­на отд. уча­ст­ка­ми ге­но­ма при со­вме­ст­ном за­ра­же­нии од­ной и той же бак­те­рии раз­ны­ми фа­га­ми, ли­бо при уча­стии мо­биль­ных ге­не­ти­че­ских эле­мен­тов. В ге­но­мах ви­ру­лент­ных Б. об­на­ру­же­но мно­же­ст­во ге­нов, кон­тро­ли­рую­щих син­тез бел­ков, сход­ных с бел­ка­ми са­мых раз­ных ор­га­низ­мов (в т. ч. па­то­ген­ных бак­те­рий, эу­ка­ри­от), а так­же разл. ви­ру­сов жи­вот­ных, что сви­детель­ст­ву­ет об уча­стии Б. в ми­гра­ци­ях ге­нов в био­сфе­ре. Б. – важ­ней­ший фак­тор эво­лю­ции, при­во­дя­щий к от­бо­ру фа­го­устой­чи­вых ва­ри­ан­тов бак­те­рий, час­то с из­ме­нён­ны­ми ан­ти­ген­ны­ми свой­ст­ва­ми. Не­ред­ко в клет­ках об­на­ру­жи­ва­ют­ся де­фект­ные Б., ко­то­рые воз­ни­ка­ют вслед­ст­вие не­пра­виль­но­го вы­ре­за­ния ге­но­мов уме­рен­ных Б. и/или при встраи­ва­нии в хро­мо­со­мы час­ти ге­но­ма Б. с уча­сти­ем мо­биль­ных ге­не­тич. эле­мен­тов. Осо­бое зна­че­ние име­ют Б., спо­соб­ные к транс­дук­ции – пе­ре­но­су бак­те­ри­аль­ных ге­нов в ре­зуль­та­те оши­боч­ной упа­ков­ки в фа­го­вую час­ти­цу фраг­мен­та бак­те­ри­аль­ной ДНК (вме­сто или вме­сте с ге­но­мом Б.). Та­ким об­ра­зом Б. обес­пе­чи­ва­ют бы­ст­рый об­мен ге­на­ми ме­ж­ду раз­ны­ми штам­ма­ми (ино­гда ви­да­ми) бак­те­рий.

Б. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве мо­дель­ных ге­не­тич. объ­ек­тов бла­го­да­ря ра­бо­там М. Дельб­рю­ка, А. Д. Хер­ши и др., на­чав­ших в 40-х гг. 20 в. свои ге­не­тич. ис­сле­до­ва­ния и по­ка­зав­ших при­ме­ни­мость к Б. осн. по­ло­же­ний клас­сич. ге­не­ти­ки. С по­мо­щью Б. бы­ло окон­ча­тель­но до­ка­за­но, что ге­не­тич. ма­те­риа­лом слу­жит не бе­лок, а ДНК, соз­да­на сис­те­ма ана­ли­за тон­кой струк­ту­ры ге­нов, раз­ра­бо­та­ны мо­де­ли мо­ле­ку­ляр­ных ме­ха­низ­мов му­та­ге­не­за. Бла­го­да­ря Б. был окон­ча­тель­но под­твер­ждён по­лу­кон­сер­ва­тив­ный ха­рак­тер ре­п­ли­ка­ции ДНК, впер­вые опи­сан ме­ха­низм ин­те­гра­ции ви­рус­но­го ге­но­ма в хро­мо­со­му клет­ки-хо­зяи­на. Вы­яс­не­ние ме­ха­низ­ма ре­ст­рик­ции и мо­ди­фи­ка­ции у Б. при­ве­ло к от­кры­тию фер­мен­тов ре­ст­рик­таз, что лег­ло в ос­но­ву ге­не­тич. ин­же­не­рии. Б. ис­поль­зу­ют­ся для ге­не­тич. ис­сле­до­ва­ний бак­те­рий, в ка­че­ст­ве век­то­ров для кло­ни­ро­ва­ния ге­нов. Они на­шли при­ме­не­ние в ме­ди­ци­не при ле­че­нии по­сле­ожо­го­вых или ра­не­вых ин­фек­ций – фа­го­те­ра­пии, а так­же для иден­ти­фи­кации па­то­ген­ных бак­те­рий.