Особенности бактериофагов

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра микробиологии с вирусологией и иммунологией

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по микробиологии

тема

Особенности бактериофагов

Выполнила

Иванова О.В.

г. Чита - 2005 г.

Содержание

Введение

1. Строение и свойства вирусов

2. Классификация

3. Бактериофаги

3.1 Открытие

3.2 Строение

3.3 Жизненный цикл бактериофагов

3.4 Лечение

4. Трансдукция

Вывод

Литература

Введение

Заболевания растений, животных и человека, вирусная природа которых в настоящее время установлена, в течение многих столетий наносили ущерб хозяйству и вред здоровью человека. Хотя многие из этих болезней были описаны, но попытки установить их причину и обнаружить возбудитель оставались безуспешными.

В результате наблюдений Д.И. Ивановский и В.В. Половцев впервые высказали предположение, что болезнь табака, описанная в 1886 году A.D. Mayer в Голландии под название мозаичной, представляет собой не одно, а два совершенно различных заболевания одного и того же растения: одно из них - рябуха, возбудителем которого является грибок, а другое неизвестного происхождения. Исследование мозаичной болезни табака Д.И. Ивановский продолжает в Никитинском ботаническом саду (под Ялтой) и ботанической лаборатории Академии наук и приходит к выводу, что мозаичная болезнь табака вызывается бактериями, проходящими через фильтры Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах. Возбудитель мозаичной болезни называется Ивановским, то “фильтрующимися” бактериями, то микроорганизмами, так как сформулировать сразу существование особого мира вирусов было весьма трудно. Подчеркивая, что возбудитель мозаичной болезни табака не мог быть обнаружен в тканях больных растений с помощью микроскопа и не культивировался на искусственных питательных средах. Д.И. Ивановский писал, что его предположение о живой и организованной природе возбудителя “сформировано в целую теорию особого рода инфекционных заболеваний”, представителем которых, помимо табачной мозаики, является ящур (использовав тот же метод фильтрации). Д.И. Ивановский открыл вирусы - новую форму существования жизни. Своими исследованиями он заложил основы ряда научных направлений вирусологии: изучение природы вируса, цитопаталогических вирусных инфекций, фильтрующихся форм микроорганизмов, хронического и латентного вирусоносительства. Один из выдающихся советских фитовирусологов В.Л. Рыжков писал: “Заслуги Д.И. Ивановского не только в том, что он открыл совершенно новый вид заболеваний, но и в том, что он дал методы их изучения”. Одним из крупнейших открытий в вирусологии является открытие американских ученых Д. Балтимора и Н. Темина, которые нашли в структуре ретровируса ген, кодирующий фермент - обратную транскриптазу. Назначение этого фермента - катализировать синтез молекул ДНК на матрице молекулы РНК. За это открытие они получили Нобелевскую премию. В знак признания выдающихся заслуг Д.И. Ивановского перед вирусологической наукой Институту вирусологии АМН СССР в 1950 году было присвоено его имя, в Академии медицинских наук учреждена премия имени Д.И. Ивановского, присуждаемая один раз в три года. По мере изучения природы вирусов в первом полустолетии после их открытия Д.И. Ивановским (1892) формировались представления о вирусах как о мельчайших организмах. Эпитет “фильтрующийся” со временем был отброшен, так как стали известны фильтрующиеся формы или стадии обычных бактерий, а затем и фильтрующиеся виды бактерий. Наиболее правдоподобной и приемлемой является гипотеза о том, что вирусы произошли из “беглой” нуклеиновой кислоты, т.е. нуклеиновой кислоты, которая приобрела способность реплицироваться независимо от той клетки, из которой она возникла, хотя при этом предусматривается, что такая ДНК реплицируется с использованием структур этой или другой клеток. На основании опытов фильтрации через градуированные линейные фильтры были определены размеры вирусов. Размер наиболее мелких из них оказался равным 20-30 нм., а наиболее крупных - 300-400 нм. В процессе дальнейшей эволюции у вирусов менялась больше форма, чем содержание. Таким образом, вирусы, должно быть, произошли от клеточных организмов, и их не следует рассматривать, как примитивных предшественников клеточных организмов.

1.Строение и свойства вирусов

Размеры вирусов колеблются от 20 до 300 нм. В среднем они в 50 раз меньше бактерий. Их нельзя увидеть в световой микроскоп, так как их длины меньше длины световой волны.

Вирусы состоят яз различных компонентов:

а) сердцевина - генетический материал (ДНК или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах белков, которые необходимы для образования нового вируса: ген, кодирующий обратную транскриптазу и другие.

б) белковая оболочка, которую называют аспидом. Оболочка часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

в) дополнительная липопротеидная оболочка.

Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина. Она встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. Положение о том, что вирусы представляют собой полноценные организмы, позволило окончательно объединить все три названных группы вирусов - вирусы животных, растений и бактерий - в одну категорию, занимающую определенное место среди живых существ, населяющих нашу планету. Тот факт, что их не удалось выращивать на искусственных питательных средах, вне клеток, не вызывал особого удивления, так как вирусы с самого начала были определены как строгие внутриклеточные паразиты. Это свойство признавалось не уникальным, присущим только вирусам, поскольку внутриклеточные паразиты известинцы и среди бактерий, и среди простейших. Как и другие организмы, вирусы способны к размножению. Вирусы обладают определенной наследственностью, воспроизводя себе подобных. Наследственные признаки вирусов можно учитывать по сектору поражаемых хозяев и симптомам вызываемых заболеваний, а также по специфичности иммунных реакций естественных хозяев или искусственных иммунизируемых экспериментальных животных. Сумма этих признаков позволяет четко определить наследственные свойства любого вируса, и даже больше - его разновидностей, имеющих четкие генетические маркеры, например: нейтропность некоторых вирусов гриппа, сниженную патогенность у вакцинальных вирусов и т.п. Изменчивость является другой стороной наследственности, и в этом отношении вирусы подобны всем другим организмам, населяющим нашу планету. При этом у вирусов можно наблюдать как генетическую изменчивость, связанную с изменением наследственного вещества, так и фенотипическую изменчивость, связанную с проявлением одного и того же генотипа в разных условиях. Примером первого типа изменчивости являются мутанты одного и того же вируса, в частности температурочувствительные мутанты. Примером второго типа изменчивости служит разный тип поражений, вызываемых одним и тем же вирусом у различных животных, растений и бактерий. Все вирусы по своей природе - паразиты. Они способны воспроизводить себя, но только внутри живых клеток. Обычно вирусы вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки, они “включают” ее ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать компоненты вируса. Компоненты вируса способны к спонтанному образованию вириона. Клетка, израсходовав все жизнетворные соки на синтез вирусов, гибнет, перегруженная паразитами. Вирусы “разрывают” оболочку клетки и передаются в другую клетку в виде инертных частиц. Вирусы вне клетки представляют собой кристаллы, но при попадании в клетку “оживают”. Ученые, анализируя строение вещества, до сих пор не решили: считать вирусы живыми или мертвым. Вирусы, с одной стороны, обладают способностью размножаться, наследственностью и изменчивостью, но с другой стороны, не имеют обмена веществ, и их можно рассматривать, как гигантские молекулы. Вирусы, как и другие организмы, характеризуются приспособляемостью к условиям внешней среды. Нужно только не забывать, что для них организм хозяина является средой обитания, поэтому многие условия внешней среды влияют на вирус опосредованно - через организм хозяина. Однако многие факторы внешней среды могут и непосредственно воздействовать на вирусы. Достаточно вспомнить уже названные температуро-чувствительные мутанты вирусов, которые, например, размножаются при температуре 32-37 С и гибнут при температуре 38-40 С, хотя их хозяева остаются вполне жизнеспособными при этих температурных режимах. В связи с тем, что вирусы являются паразитами, они подчиняются закономерностям и к ним применимы понятия экологии паразитизма. Каждый вирус имеет круг естественных хозяев, иногда очень широкий, как, например, у мелких РНК-геномных фагов: в первом случае поражаются все млекопитающие, во втором - отдельные клоны кишечной палочки. Циркуляция вирусов может быть горизонтальной (распространение среди популяции хозяев) и вертикальной (распространение то родителей потомству). Таким образом, каждый вирус занимает определенную экологическую нишу в биосфере.

2. Классификация

а) Вирусы классифицируются по сердцевине: ДНК-содержащие и РНК-содержащие (ретро) вирусы.

б) По структуре капсомеров. Изометрические (кубические), спиральные, смешанные.

в) По наличию или отсутсвию дополнительной липопротеидной оболочки

г) По клеткам--хозяинам

Кроме этих классификаций есть еще много других. На пример, по типу переноса инфекции от одного организма к другому.

3.Бактериофаги

3.1 Открытие

Спустя 25 лет после открытия вируса, канадский ученый Феликс Д'Эрел, используя метод фильтрации, открыл новую группу вирусов, поражающих бактерии. Они так и были названы бактериофагами (или просто фагами).

3.2 Строение

Головка (с икосаэурической симметрией), воротничок, полый стержень, чехол со спиральной симметрией, гексональная, базальная пластина, шипы отростка

3.3 Жизненный цикл бактериофагов

1)Фаг приближается к бактерии, и хвостовые нити связываются с рецепторными участками на поверхности бактериальной клетки.

2)Хвостовые нити изгибаются и “заякоривают” шипы и базальную пластинку на поверхность клетки; хвостовой чехол сокращается, заставляя, полый стержень входить в клетку; этому способствует фермент - лизоцим, который находится в базальной пластинке; таким образом, ДНК вводится внутрь клетки.

3)ДНК фага кодирует синтез ферментов фага, используя для этого более синтезирующий аппарат (рибосомы и т.п.) хозяина.

4) Фаг тем или иным способом инактивирует ДНК хозяина, а фермент фага совсем расщепляет ее; ДНК фага подчиняет себе клеточный аппарат.

5)ДНК фага реплицируется и кодирует синтез новых белков.

6)Новые частицы фага, образующиеся в результате спонтанной самосборки белковой оболочки вокруг фазовой ДНК; под контролем ДНК фагов синтезируется лизоцим.

7) Лизис клетки, т.е. клетка, лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200-1000 новых фагов; фаги индуцируют другие клетки.

Жизненный цикл фага составляет 30 минут.

3.4 Лечение

Свойство бактериофагов разрушать бактерии используется для предупреждения и лечения бактериальных заболеваний. Через 10-15 минут после введения бактериофагов в организм возбудителя чумы, брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллеза обезвреживаются. Но у этого метода есть серьезный недостаток. Бактерии более изменчивы (в плане защиты от фагов) чем бактериофаги, поэтому бактериальные клетки относительно быстро становятся нечувствительными к фагам.

Отечественная промышленность выпускает большой спектр лекарственных бактериофагов: Стафилококковый, Стрептококковый, Коли, Протейный, Синегнойный, Клебсиеллезный, Брюшнотифозный, Дизентерийный, Сальмонеллезный. Имеются и их комбинированные формы: Колипротейный бактериофаг, Интести бактериофаг (содержит фаги шигелл Флекснера серовара 1,2,3,4,6 и Зонне, сальмонелл (паратифа А и В, энтерилитис, тифимуриум, холера суис, ораниенбург), энтеропатогенных групп кишечной палочки, протея вульгарис и мирабилис, стафилококков, синегнойной палочки и патогенных энтерококков), Пиобактериофаг комбинированный (содержит фаги стафилококков, стрептококков, патогенной кишечной палочки и синегнойной палочки). Созвучный, но все-таки иной препарат Пиобактериофаг поливалентный очищенный содержит фаги стафилококков, стрептококков, патогенной кишечной палочки, синегнойной палочки, протея и клебсиелл пневмонии. Данный препарат отличается наиболее высокой степенью очистки от бактериальных метаболитов, что значительно улучшает его вкусовые качества и делает средством первого выбора у детей до года. Бактериофаг клебсиелл поливалентный очищенный активен в отношении клебсиелл пневмонии, озены, риносклеромы.

Интересна история развития производства бактериофагов в Советском Союзе. Основоположником фаготерапия можно считать грузинского микробиолога Георгий Элиава, по инициативе которого и благодаря поддержке Серго Орджоникидзе был создан Институт Исследования Бактериофагов в Тбилиси. Георгий Элиава был одним из учеников первооткрывателя бактериофагов канадского бактериолога Д'Эрелля, который в 1931-34 неоднократно бывал в Тбилиси и принимал личное участие в создании и оснащении нового института. В 1938 г. Институт Бактериофагов был соединен с Институтом Микробиологии и Эпидемиологии под управлением Наркома здравоохранения Грузии, а в 1951 г. он был передан группе Институтов Вакцин и Сывороток Всесоюзного министерства здравоохранения, заняв ведущее место в обеспечении бактериофагами для терапии и бактериального типирования во всем Советском Союзе. По заявкам Министерства здравоохранения сотни тысяч образцов патогенных бактерий посылались в Институт со всего Советского Союза для выделения наиболее эффективных штаммов фагов и лучшей характеристики их полезности. Еще 10 лет назад в аптеках Омска можно было встретить Интести-бактериофаг тбилисского производства. В 1988 г. было образовано Научно-производственное объединение "Бактериофаг" с производственными площадками в Уфе, Хабаровске и Нижнем Новгороде, Перми, предприятия, которых и являются в настоящее время единственными производителями бактериофагов в России. За рубежом набольшей известностью пользуется именно Тбилисский институт бактериофагов, однако, в настоящее время промышленное производство бактериофагов там практически не осуществляется.

Уже в период Великой Отечественной войны мази с бактериофагами широко применялась для лечения раненых, и с тех пор использование лечебных бактериофагов в России никогда полностью не прекращалось. На западе после открытия антибиотиков в работы с бактериофагами были полностью свернуты. В последние несколько лет, в связи с увеличением распространенности внутрибольничных инфекций, резистентных к большинству или ко всем из известных антибиотиков, многие западные биотехнологические компании сделали резкий поворот к изучению возможности создания лекарств на основе бактериофагов. Однако, несмотря на существенные технологические преимущества, для успешного создания эффективных лекарств необходима коллекция бактериофагов, действующих на клинически наиболее значимые штаммы возбудителей и соответствующий опыт их клинического применения, чем западные компании пока не обладают. Не будет преувеличением сказать, что если в России есть лидирующие направления в лечении инфекционной патологии, то это именно фаготерапия.

Наибольшее распространение бактериофаги нашли в лечении дисбактериозов кишечника, острых кишечных инфекций, энтероколитов, гнойно-воспалительных заболеваний горла и носа. Между тем, область их клинического применения значительно шире, и они могут быть с успехом использованы для лечения хирургической, урогенитальной, кожной и других инфекций. Для врачей, которые еще не имели опыта работы с бактериофагами, можно отметить, что для лечения дисбактериоза кишечника и других заболеваний, требующих избирательной санации желудочно-кишечного тракта от условно-патогенной микрофлоры, предпочтительны Пиобактериофаг комбинированный, Пиобактериофаг поливалентный очищенный, Интести бактериофаг, Стафилококковый и Колипротейный бактериофаги. В этом году в Омск впервые стал поступать стафилококковый бактериофаг Хабаровского производства, который содержит штаммы отличные от применяющихся много лет в Омске Пермского, Уфимского и Нижегородского стафилококкового бактериофага и может иметь более высокую активность по отношению к Омским штаммам золотистого стафилококка.

4. Трансдукция

Трансдукция (от лат. transductio - перемещение) - передача генетического материала от одной клетки к другой, что приводит к изменению наследственных свойств. Явление трансдукции было открыто американским ученым Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 году. Особые бактериальные вирусы - умеренные фаги - в процессе вегетативного размножения способны случайно захватывать и переносить в другие клетки любые участки ДНК, разрушенных ими клеток. Длина переносимого отрезка ДНК определяется размером белковой оболочки фаговой частицы и обычно не превышает 1-2 % бактериального генома. Переносимый отрезок может содержать несколько генов. Поскольку вероятность успешной трансдукции зависит от расстояния между генами в молекуле ДНК, образующих хромосому бактерии, явления трансдукции широко используется при составлении генетических карт хромосом бактерий. Генетический материал фага в таких частицах отсутствует. Поэтому при вводе ДНК в клетку они не осуществляют все функции фага: размножение, разрушение клетки. Внесенный фрагмент может существовать в клетке в виде дополнительного генетического элемента, обладающего функциональной активностью. Такой фрагмент не способен воспроизводится при каждом делении клетки, поэтому он передается в одну из дочерних клеток. За исключением этой клетки свойство всего остального потомства не изменяются. В дальнейшем фрагмент может быть либо разрушен, либо внесен в хромосому бактерии, заменив в ней гомологичный участок ДНК. В последнем случае новые признаки, приобретенные клеткой - трансдуктантом, будут свойственны всеми потомству клетки. Существует группа бактериофагов, способных переносить лишь определенные гены, расположенные рядом с местом вхождения генома фага в хромосому бактерии при разрушении (лизогенизации). Молекулярный механизм трансдукции в настоящее изучен недостаточно.

Вывод

Здоровье - это бесценный дар, который преподносит человеку природа. Без него очень трудно сделать жизнь интересной и счастливой. Но как часто мы, растрачиваем этот дар попусту, забывая, что потерять здоровье легко, а вот вернуть его очень и очень трудно.

Никто не застрахован от болезней, смерти, врожденных патологий. Но медицины не стоит на месте и на пороге XXI века делает открытия и внедрения. Она пытается, делает новые препараты, разрабатывает новые технологии. Да, много уже препаратов, лекарственных средств известно человечеству. С каждым годом их становится все больше и больше. Но и заболевания, которыми страдают люди, не утихают, а вирусы мутируют, эпидемии вспыхивают с большей силой. Уже нет на земле абсолютно здорового человека, а многие страдают еще и сразу несколькими заболеваниями…

Эволюция вирусов в эру научно-технического прогресса в результате мощного давления факторов протекает значительно быстрее, чем прежде. В качестве примеров таких интенсивно развивающихся в современном мире процессов можно указать на загрязнение внешней среды промышленными отходами, повсеместное применение пестицидов, антибиотиков, вакцин и других биопрепаратов, огромная концентрация населения в городах, развитие современных транспортных средств, хозяйственное освоение ранее неиспользованных территорий, создание индустриального животноводства с крупнейшими по численности и плотности популяции животных хозяйств. Все это приводит к возникновению неизвестных ранее возбудителей, изменение свойств и путей циркуляций, известных ранее вирусов, а также к значительным изменениям восприимчивости и сопротивляемости человеческих популяций. Современный этап развития общества связан с интенсивным загрязнением внешней среды. При определенных показателях загрязнения воздуха некоторыми химическими веществами и пылью от отходов производства происходит заметное изменение сопротивляемости организма в целом и, прежде всего клеток и тканей респираторного тракта. Есть даны, что в этих условиях некоторые респираторные вирусные инфекции, например, грипп, протекают заметно тяжелее.

Эти препараты оказывают избирательное действие, поражая одни виды насекомых и оказываясь относительно безвредными для других, что может вызывать резкое нарушение экологического равновесия в природных очагах инфекций. Некоторые пестициды, например, чрезвычайно ядовиты для наездников: насекомых, паразитирующих на клещах - переносчиках ряда вирусных инфекций и тем самым регулирующих их численность. Есть и еще одна сторона проблемы. Пестициды в теле насекомого могут действовать в качестве мутагенного фактора для вирусов, находящихся в них. Это может повлечь за собой появление клонов и популяции вирусов, обладающих новыми свойствами и в результате новые неизученные эпидемии. В последние годы в связи с продолжающимся распространением антибиотико-устойчивых форм патогенных и условно-патогенных бактерий большой интерес вызывает использование в лечебных целях бактериофагов. Бактериофаги являются вирусами, поражающими исключительно бактерии. Открыты они были в начале 20 века и, как выяснилось позже, в природе распространены повсеместно. Везде, где имеются бактерии, удается обнаружить и бактериофаги. Бактериофаги, подобно другим вирусам, являются внутриклеточными паразитами. Проникнув в бактерию через расположенные на ее поверхности фагоспецифические рецепторы, ДНК фага изменяет синтезирующие механизмы клетки, заставляя бактерию синтезировать ДНК и белки фага. На определенном этапе бактерия разрушается, и из нее выходит новое поколение дочерних бактериофагов. Важным свойством бактериофагов является их высокая специфичность, они избирательно лизируют бактерии не только определенного вида, но даже их отдельные серологические группы. Бактериофаги безошибочно находят и уничтожают только те бактерии, против которых направлено их действие, не затрагивая нормальную микрофлору организма, не говоря уже о его собственных клетках. Именно этим и объясняется отсутствие побочных эффектов и противопоказаний к применению бактериофагов, что делает особенно привлекательным их использование в педиатрической практике. Возникновение у бактерий антибиотикоустойчивости не сказывается на их чувствительности к бактериофагам, поэтому последние зачастую активны даже в отношении полирезистентной госпитальной микрофлоры. Однако следует учитывать специфичность бактериофагов: каждый вид фага распознает в качестве своей мишени только те серотипы бактерий, которые имеют определенные фагоспецифические рецепторы. Поэтому назначать бактериофаги необходимо под микробиологическим контролем чувствительности к ним данного возбудителя.

Литература

"Биология" - еженедельное приложение к газете "Первое сентября" (№7 1998)

Медицинская газета №34-35 (29 апреля 1998 г.)

Внутренние болезни под ред. Е. Браунвальда, т. 3. М, Медицина -1993

Медицинская микробиология, вирусология, иммунология под ред. Л.Б. Борисова, М - 1994

Руководство к лабораторным занятиям по медицинской микробиологии, вирусологии, иммунологии под ред. Л.Б. Борисова, М - 1993