Мисливці на мікробів: що таке бактеріофаги, як вони працюють і що ними лікують

У всіх істот, що мешкають на землі, є мікроскопічні паразити - віруси. Є свої віруси і у бактерій. Цикл розмноження бактеріальних вірусів неминуче закінчується загибеллю мікроба. Щоб підкреслити таку особливість, один з першовідкривачів цього ефекту, Фелікс Д'Ерель, придумав спеціальну назву - «бактеріофаги», в перекладі з грецької - «пожирачі бактерій». Що таке бактеріофаги і яка їх дія? Відповіді на ці запитання ви знайдете в нашому матеріалі.

Що ж таке бактеріофаги? Коротко - це віруси. Наприкінці ХХ століття стало ясно, що бактерії безумовно домінують у біосфері Землі, складаючи понад 90% її біомаси. У кожного виду є безліч спеціалізованих типів вірусів. За попередніми оцінками, число видів бактеріофагів становить близько 1015. Щоб зрозуміти масштаб цієї цифри, можна сказати, що якщо кожна людина на Землі буде кожен день відкривати по одному новому бактеріофагу, то на опис всіх їх знадобиться 30 років. Таким чином, бактеріофаги - найбільш маловивчені істоти в нашій біосфері.

Що таке бактеріофаг і як він виглядає?

Більшість відомих сьогодні бактеріофагів належить до загону Caudovirales - хвостаті віруси. Їх частинки мають розмір від 50 до 200 нм. Хвіст різної довжини і форми забезпечує приєднання вірусу до поверхні бактерії-господаря, головка (капсид) служить сховищем для геному. Геномна ДНК кодує структурні білки, що формують «тіло» бактеріофагу, і білки, які забезпечують розмноження фагу всередині клітини в процесі інфекції. Що ж таке ці віруси або бактеріофаги? Можна сказати, що бактеріофаг - це природний високотехнологічний нанооб'єкт. Наприклад, хвости фагів - це «молекулярний шприц», який протикає стінку бактерії і, скорочуючись, впорскує свою ДНК всередину клітини.

Як працює бактеріофаг?

Як діє бактеріофаг і що роблять бактеріофаги? Для розмноження вони використовують апарат бактеріальної клітини, «перепрограмуючи» його на виробництво нових копій вірусів. Останній етап цього процесу - лізис, знищення бактерії і звільнення нових бактеріофагів.

Словом, бактеріофаги - це віруси бактерій. З цього моменту, ліза, починається інфекційний цикл. Його подальші етапи складаються з перемикання механізмів життєдіяльності бактерії на обслуговування бактеріофагу, розмноження його геному, побудова безлічі копій вірусних оболонок, упаковки в них ДНК вірусу і, нарешті, руйнування (лізис) господарської клітини. У кожного етапу існує безліч нюансів, що мають глибокий еволюційний та екологічний сенс. Адже бактерії та їхні вірусні паразити співіснують сотні мільйонів, якщо не мільярди років. І ця боротьба за виживання не закінчилася ні тотальним знищенням одноклітинних, ні придбанням тотальної стійкості до фаг і безконтрольним розмноженням бактерій.

Крім постійного еволюційного змагання механізмів захисту у бактерій і нападу у вірусів, причиною сформованої рівноваги можна вважати і те, що бактеріофаги спеціалізувалися за своєю інфекційною дією. Як працює бактеріофаг? Якщо є велика колонія бактерій, де своїх жертв знайдуть і наступні покоління фагів, то знищення бактерій літичними (вбиваючими, дослівно - розчинними) фагами йде швидко і безперервно. Якщо потенційних жертв замало або зовнішні умови не надто підходять для ефективного розмноження фагів, то перевагу отримують фаги з лизогенним циклом розвитку. У цьому випадку після впровадження всередину бактерії ДНК фага не відразу запускає механізм інфекції, а до пори до часу існує всередині клітини в пасивному стані, часто впроваджуючись у бактеріальний геном.

Що роблять бактеріофаги далі? У такому стані профагу вірус може існувати довго, проходячи разом з хромосомою бактерії цикли ділення клітини. І лише коли бактерія потрапляє в сприятливе для розмноження середовище, активується літичний цикл інфекції. При цьому, коли ДНК фага звільняється з бактеріальної хромосоми, часто захоплюються і сусідні ділянки бактеріального геному, а їх вміст в подальшому може перенестися в наступну бактерію, яку заразить бактеріофаг. Цей процес (трансдукція генів) вважається найважливішим засобом перенесення інформації між прокаріотами - організмами без клітинних ядер.

Що роблять бактеріофаги? У тому числі закріплюються! Наприклад, на цій фотографії, зробленій за допомогою електронного мікроскопа, показано процес закріплення бактеріофагів (коліфагів T1) на поверхні бактерії E. coli.

Що лікують бактеріофагами?

Всі ці молекулярні тонкощі не були відомі в другому десятилітті ХХ століття, коли були відкриті «невидимі інфекційні агенти, що знищують бактерій». Але і без електронного мікроскопа, за допомогою якого в кінці 1940-х вперше вдалося отримати зображення бактеріофагів, було зрозуміло, що вони здатні знищувати бактерії, в тому числі і хвороботворні. Ця властивість була негайно затребувана медициною. Що лікували бактеріофагами? Відомо, що перші спроби лікування фагами дизентерії, раневих інфекцій, холери, тифу і навіть чуми були проведені досить акуратно, і успіх виглядав цілком переконливо. Але після початку масового випуску і використання фагових препаратів ейфорія змінилася розчаруванням. Про те, що таке бактеріофаги, як виробляти, очищати і застосовувати їх лікарські форми, було відомо ще дуже мало. Достатньо сказати, що за результатами здійсненої в США наприкінці 1920-х років перевірки в багатьох промислових фагопрепаратах власне бактеріофагів взагалі не виявилося.

На зображенні схематично показана вірусна атака. Як після неї працює бактеріофаг? У клітині відбувається синтез білкових і нуклеїнових компонентів.

Проблема з антибіотиками

Другу половину ХХ століття в медицині можна назвати «ерою антибіотиків». Однак ще першовідкривач пеніциліну Олександр Флемінг у своїй нобелівській лекції попереджав, що стійкість мікробів до пеніциліну виникає досить швидко. До пори до часу антибіотикостійкість компенсувалася розробкою нових типів протимікробних ліків. Але з 1990-х років стало ясно, що людство програє «гонку озброєнь» проти мікробів. Винне насамперед безконтрольне застосування антибіотиків не тільки в лікувальних, а й у профілактичних цілях, причому не тільки в медицині, а й у сільському господарстві, харчовій промисловості та побуті. У результаті стійкість до цих препаратів почала вироблятися не тільки у хвороботворних бактерій, але і у самих звичайних мікроорганізмів, що живуть в ґрунті і воді, роблячи з них «умовних патогенів». Такі бактерії комфортно існують в медичних установах, заселяючи сантехніку, меблі, медичну апаратуру, часом навіть дезінфікуючі розчини. У людей з ослабленим імунітетом, яких у лікарнях більшість, вони викликають важкі ускладнення. На відміну від антибіотиків бактеріофаги працюють вибірково. Вони ліквідують специфічні патогени, не зачепивши "