Бактериофаги: вирусы бактерий¶

Бактериофаги (от др.-греч. βακτήριον — «палочка» и φαγος — «пожиратель»), или фаги, — вирусы, избирательно поражающие клетки бактерий и некоторых других микроорганизмов (архей, цианобактерий). Являются наиболее многочисленной и распространённой группой вирусов на Земле: их суммарная численность оценивается в 10³⁰–10³² частиц, что превышает численность всех остальных организмов вместе взятых. Бактериофаги не имеют клеточного строения, состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида) и размножаются только внутри клетки-хозяина, используя её биосинтетический аппарат.

¶История открытия

Существование агентов, лизирующих бактерии, впервые наблюдал в 1896 году британский бактериолог Эрнест Ханкин, изучавший свойства воды рек Ганга и Джамны: она обладала выраженной антибактериальной активностью. Однако его работа осталась почти незамеченной.

В 1915 году английский микробиолог Фредерик Туорт описал «стеклянное растворение» колоний стафилококка, вызванное переносимым агентом. Независимо от него в 1917 году французский учёный Феликс д’Эрелль, работавший в Институте Пастера, выделил литический агент из испражнений солдат, выздоравливавших от дизентерии, и предложил термин «бактериофаг». Д’Эрелль первым осознал терапевтический потенциал фагов и проводил клинические испытания их применения.

В 1930-х годах фаговая терапия активно развивалась в СССР и Грузии; в Тбилиси был основан Институт бактериофагов, микробиологии и вирусологии (ныне имени Г. Элиавы). На Западе интерес к фагам снизился после открытия пенициллина, но возродился в конце XX века в связи с ростом антибиотикорезистентности.

¶Строение и классификация

По морфологии бактериофаги делят на несколько типов:

• Хвостатые (порядок Caudovirales) — наиболее многочисленная группа, составляющая около 96 % известных фагов. Имеют икосаэдрическую головку с заключённой в неё ДНК и хвостовой отросток, обеспечивающий прикрепление к клетке и впрыскивание генома.
• Нитчатые (например, фаг M13) — длинные гибкие белковые трубки, содержащие одноцепочечную ДНК.
• Плеоморфные — с кубической, спиральной или иной симметрией капсида; сюда относят фаги с липидной оболочкой.
• Полиэдрические — икосаэдрические частицы без хвоста.

Генетический материал фага представлен двуцепочечной или одноцепочечной ДНК либо РНК. Размер генома варьирует от нескольких тысяч до сотен тысяч пар нуклеотидов.

¶Жизненный цикл

Различают два основных пути взаимодействия фага с бактериальной клеткой.

Литический цикл. Фаг адсорбируется на поверхности клетки, узнавая специфические рецепторы (белки, липополисахариды, жгутики). Затем вводит свою нуклеиновую кислоту внутрь. Геном перепрограммирует метаболизм хозяина на синтез фаговых белков и копий нуклеиновой кислоты. Через 20–60 минут клетка лизируется, высвобождая от десятков до нескольких сотен новых вирионов.

Лизогенный цикл. Умеренные фаги встраивают свой геном в хромосому бактерии в виде профага и реплицируются вместе с ней при делении. Лизис может индуцироваться стрессовыми факторами — ультрафиолетом, повреждением ДНК, действием антибиотиков.

¶Применение

¶Фаговая терапия

Использование бактериофагов для лечения бактериальных инфекций — одно из наиболее перспективных направлений в связи с проблемой антибиотикорезистентности. Препараты на основе фагов применяются при кишечных инфекциях, гнойных ранах, ожогах, урологических и оториноларингологических заболеваниях. В России и Грузии выпускаются лечебные фаговые препараты (дизентерийный, стафилококковый, синегнойный и др.).

Преимущества фаговой терапии: высокая специфичность (не уничтожают полезную микрофлору), безопасность для организма человека, эффективность против штаммов, устойчивых к антибиотикам, способность проникать в биоплёнки. Ограничения: узкий спектр действия, необходимость подбора фага под конкретный штамм, возможная нейтрализация антителами, быстрая элиминация из организма.

¶Молекулярная биология и биотехнология

Фаги сыграли ключевую роль в становлении молекулярной генетики. Эксперименты с фагом T4 подтвердили, что носителем наследственной информации является ДНК, а не белок. Фаг лямбда используется как вектор для клонирования генов. Технология фагового дисплея (разработана Дж. Смитом, Нобелевская премия по химии 2018 года) позволяет отбирать пептиды и антитела с заданными свойствами и применяется при создании лекарств и вакцин.

¶Экология и биогеохимия

Бактериофаги регулируют численность и состав микробных сообществ в океанах, почвах и кишечнике животных. Ежедневно фаги уничтожают значительную долю бактериальной биомассы, участвуя в круговороте углерода и питательных веществ. Через механизмы трансдукции они обеспечивают горизонтальный перенос генов, в том числе генов устойчивости к антибиотикам.

¶Бактериофаги в организме человека

Фаги постоянно присутствуют в организме человека — на кожных покровах, в кишечнике, дыхательных путях. Виром человека тесно взаимодействует с бактериальным сообществом и иммунной системой. Нарушение этого баланса связывают с развитием воспалительных заболеваний кишечника и других патологий.

¶Современные исследования

Активно изучаются:

• создание фаговых коктейлей с расширенным спектром действия;
• генетическая модификация фагов для усиления литической активности;
• использование фаговых ферментов (эндолизинов) как самостоятельных антибактериальных агентов;
• фаги как носители вакцинных антигенов и систем доставки генов;
• применение в пищевой промышленности для борьбы с патогенами (Salmonella, Listeria, E. coli).

В 2020-х годах в ряде стран возобновлены клинические испытания фаговых препаратов по современным стандартам доказательной медицины. Бактериофаги рассматриваются как один из инструментов в стратегии борьбы с глобальной угрозой антимикробной резистентности, которую Всемирная организация здравоохранения относит к десяти главным угрозам здоровью человечества.