Бактеріофаги (стор. 1 із 2)
у мікробіологічній промисловості
Мікробіологічне виробництво, що використовує бактерії-продуценти, може за певних умов виявитися залежним від бактеріофагів. Ліза бактерій у промислових апаратах – ферментерах, викликана бактеріофагами («фаголізис»), зменшує вихід кінцевого продукту або погіршує його якість і тим самим завдає економічної шкоди.
Фаголізис може стати причиною особливого, генетичного, забруднення довкілля. У виробництві зазвичай використовуються бактеріальні культури обмеженого числа видів. У разі їх масового лізису та попадання певних фагів у зовнішнє середовище може спостерігатися не лише якісна зміна складу мікроорганізмів, а й взаємодія «виробничих» та «природних» фагів. Це може призвести до появи в природних умовах генетично нових варіантів фагів, які ще більш активно лізують даний продуцент або здатні візувати близькі споріднені види бактерій. Отже, порушуються біоценотичні відносини, що склалися.
Розмаїття та загальні властивості бактеріофагів
Бактеріофаги (або фаги) – різноманітно влаштовані віруси – внутрішньоклітинні паразити прокаріотів.
Структура частинок - віріонів - різних бактеріофагів різна. На відміну від вірусів еукаріотів бактеріофаги часто мають спеціалізований орган прикріплення до поверхні бактеріальної клітини, або хвостовий відросток, влаштований з різним ступенем складності, але деякі фаги не мають хвостового відростка. Капсид містить генетичний матеріал фага, його геном. Генетичний матеріал різних фагів може бути представлений різними нуклеїновими кислотами. Деякі фаги містять ДНК як генетичний матеріал, інші – РНК. Геном у більшості фагів – двониткові ДНК, а геном деякихщодо рідкісних фагів – однониткові ДНК. На кінцях молекул ДНК деяких фагів є «липкі ділянки» (однониткові комплементарні послідовності нуклеотидів), в інших фагів липкі ділянки відсутні. У деяких фагів послідовності генів у молекулах ДНК є унікальними, тоді як у інших фагів виявлені пермутації генів. В одних фагів ДНК лінійна, в інших – замкнута у кільце. В деяких фагів на кінцях молекули ДНК є кінцеві повтори кількох генів, в інших фагів така кінцева надмірність забезпечується наявністю відносно коротких повторів. Нарешті, у деяких фагів геном представлений набором кількох фрагментів нуклеїнової кислоти.
З еволюційної точки зору бактеріофаги, що використовують такі різні типи генетичного матеріалу, різняться між собою значно більшою мірою, ніж будь-які інші представники еукаріотичних організмів. Разом з тим, незважаючи на такі принципові відмінності у структурі та властивостях носіїв генетичної інформації – нуклеїнових кислотах, різні бактеріофаги виявляють спільність у багатьох відношеннях, насамперед за характером втручання у клітинний метаболізм після зараження чутливих бактерій.
Бактеріофаги, здатні спричинити продуктивну інфекцію клітин, тобто. інфекцію, що завершується утворенням життєздатного потомства, визначають як недефектні. Для всіх недефектних фагів властиво два стани: стан позаклітинного, або вільного, фага (іноді його називають зрілим фагом) і стан вегетативного фага. Для деяких так званих помірних фагів можливий ще й стан профагу.
Позаклітинний фаг – це частинки, що мають структуру, властиву фагу даного типу, що забезпечує збереження геному фага в період між інфекціями та введення йогочергову чутливу клітину. Позаклітинний фаг біохімічно інертний, а вегетативний фаг – активний (живий) стан фага, що виникає після інфекції чутливих бактерій або після індукції профагу.
Іноді інфекція чутливих клітин недефектним фагом завершується утворенням життєздатного потомства. Це може бути у двох випадках: при абортивній інфекції або внаслідок лізогенного стану клітин при інфекції помірним фагом.
Причиною абортивного характеру інфекції може бути активне втручання тих чи інших систем клітини в хід інфекції, наприклад, руйнування введеного в бактерію геному фага, або відсутність в клітині якогось продукту, необхідного для розвитку фага, і т.д.
Загальна ознака всіх бактеріофагів – внутрішньоклітинний паразитизм – визначається залежністю фагів від апаратів транскрипції та трансляції генетичного матеріалу, від систем реплікації бактерії, від наявності особливих бактеріальних структур, необхідні зборки зрілих частинок фага. У той же час слід зазначити, що рівень такої залежності для різних бактеріофагів є різним. Деякі з них (наприклад, Т-парні фаги Escherichiacoli) несуть у своєму геномі багато генів, функціонально подібні до певних бактеріальних генів; такі фаги більш автономні, оскільки здатні розвиватися в клітинах бактерій, які не мають функцій відповідних генів.
Фаги прийнято відносити до трьох типів. Тип визначається характером впливу продуктивної інфекції фага долю інфікованої клітини.
Перший тип- істинно вірулентні фаги. Інфекція клітини вірулентним фагом неминуче веде до загибелі інфікованої клітини, її руйнування та звільнення фага-потомства (за винятком абортивної інфекції). Такі фаги називають істинно вірулентними, на відміну від нихвірулентних мутантів помірних фагів.
Другий тип- помірні фаги. У ході продуктивної інфекції клітини помірним фагом можливі два принципово різних шляхи його розвитку:літичний, загалом (за своїм результатом) подібний до літичного циклу вірулентних фагів, ілізогенний, коли геном помірного фага переходить в особливий стан - профаг. Клітина, що несе профаг, називається лізогенною або просто лізогеном (оскільки в певних умовах вона може зазнати літичного розвитку фага). Помірні фаги, відповідальні у стані профагу застосування індукуючого чинника початком літичного розвитку, називають індуцибельними, а фаги, не таким, що реагує таким чином, – неиндуцибельными. У помірних фагів можуть виникати вірулентні мутанти. Мутації вірулентності ведуть до такої зміни послідовності нуклеотидів в операторних ділянках, що позначається на втраті спорідненості до репресора.
Третій тип фагів - це фаги, продуктивна інфекція якими не веде до загибелі бактерій. Ці фаги здатні залишати інфіковану бактерію, не викликаючи її фізичного руйнування. Клітина, інфікована таким фагом, перебуває у стані постійної (перманентної) продуктивної інфекції. Розвиток фага позначається на деякому уповільненні швидкості поділів бактерій.
Попадання фагів на виробництво
Те, як саме фаг потрапляє на виробництво, значною мірою визначається характером самого виробництва. Так, наприклад, у галузях промисловості, де виробництво ведеться у відкритих ємностях, фаг може потрапляти в них із повітря, з добавками тощо. У разі таких виробництв (сироділля, виноробство) фаголізиси викликаються в основному фагами, що потрапили із зовнішнього середовища (екзогенні фаги). В цьому випадку єдиною гарантією безлізноговиробництва може бути використання комплексу спеціально розроблених заходів. Зрідка, при використанні лізогенних продуцентів, причиною лізису може стати виникнення вірулентних мутантів (ендогенні фаги). мутанти профагів лізогенних продуцентів), і лише за порушення певних технологічних умов (неякісна стерилізація середовища, повітря тощо) лізис може бути викликаний екзогенними фагами. Екзогенні фаги, взагалі кажучи, можуть бути не тільки вірулентними, а й помірними, якщо, наприклад, у ферментери потрапляють разом з нестерильними компонентами лізогенні бактерії виду, спорідненого продуцента і виділяють фаг, активний їм клітинах продуцента.
Таким чином, основним завданням після виявлення на виробництві випадку, підозрілого на фаголізис є доказ можливої ролі фага як причини невдалої операції, у тому числі виявлення самого фага та його характеристики дозволяє встановити спосіб попадання фага на виробництво (ендо-або екзогенний), а також визначити, чи виявлений фаг варіантом (мутантом) будь-якого раніше відомого фага чи зустрічається вперше.
Основні стадії розвитку та найпростіші методи дослідження бактеріофагів
Незважаючи на надзвичайну різноманітність бактеріофагів, процедури їх дослідження, за рідкісним винятком, застосовуються до більшості фагів. У заводській лабораторії можна провести попереднє вивчення фага із застосуванням щодо простих методів, а потім у добре оснащеній спеціалізованій лабораторії підібрати оптимальніумови для розмноження фага та піддати фаг докладному вивченню (електронна мікроскопія, аналізи нуклеїнової кислоти, білків каптиду та ін.). Так здійснюється класифікація фага і робиться остаточний висновок про шлях його потрапляння на виробництво. Слід застерегти від проведення тривалих робіт із дослідження бактеріофагів у заводських лабораторіях, територіально пов'язаних із виробництвом. Потрібні зазвичай щодо досліджень препарати фагів у високих титрах можуть бути джерелом нових забруднень виробництва, зокрема і мутантами з розширеними спектрами літичної активності.
Усі основні групи мікроорганізмів можуть бути забруднювачами біовиробництв – бактерії, гриби, фаги. Оптимальна температура їх розвитку перебуває у межах 24–30°, тобто. це мезофільні організми. Спори бактерій та конідій грибів можуть виносити температуру 100° С, міцеліальні гриби виявляються домінуючими серед мікроорганізмів при підвищеній вологості.