Бактериофаги, или вирусы, поражающие бактерий – существа, которым на школьных уроках биологии уделяют меньше всего внимания. Многие люди не слышали о фагах вообще, а некоторые знают, что из них делают препараты для борьбы с бактериальными инфекциями. На самом деле эти крохи таят много загадок, и они интересны не только для ученых. В этой статье мы собрали десять фактов о бактериофагах, которые могут вас удивить.
Самые многочисленные существа на нашей планете
Какие живые существа – самые распространенные на Земле? Многие скажут, что насекомые, и будут неправы. Многие вспомнят про бактерий, и этот ответ будет правильным, если речь о живых существах. Ученые пока не решили, считать ли вирусы и фаги абсолютно живыми, но именно они на нашей планете в большинстве среди всех биологических объектов.
По подсчетам ученых, бактерий на нашей планете примерно 5х1030 – больше, чем звезд на небе. А фагов больше еще в десять раз. Они повсюду, где есть их жертвы: в воздухе, в почве, в воде и даже в организмах многоклеточных животных. Почему же тогда бактериофаги еще не уничтожили всех бактерий? Во-первых, фаги отличаются от других хищников тем, что не умеют бегать за жертвами. Им остается лишь ждать, когда они случайно коснутся бактериальной клетки – и тут уж не упускают своего шанса. Во-вторых, в ходе эволюции бактерии обзавелись многими способами защиты. Они находятся с вирусами в постоянной «гонке вооружений».
У каждого человека есть свои бактериофаги
![бактериофаги в организме человека]()
Все знают, что у человека есть микрофлора – об этом старательно рассказывают не только научпоп-источники, но и производители пробиотиков. Но мало кому известно, что в нашем теле обитает столь же многочисленное вирусное сообщество – виром. И многие из этих вирусов – бактериофаги. Исследовать их сложно, потому что под микроскопом вирусы не видны, а обнаружить получается только их ДНК. Часть этого генетического материала – остатки уже разрушенных вирусов. Поэтому чаще всего ученые используют обобщенный термин «вирусоподобные частицы», и их количество в разных органах человека впечатляет:
- в кишечнике – 109 на каждый грамм кала;
- в ротовой полости – 108 на каждый мл слюны и 107 на каждый мг зубного налета;
- мочеполовая система – 107 на каждый мл мочи.
В организме бактериофаги занимаются тем же, чем и везде – охотятся на бактерии. Но они влияют и на человека, например, помогают уменьшить воспаление, улучшают работу иммунной системы. Влияние бактериофагов-сожителей на наше здоровье пока еще изучено очень слабо, возможно, в этой сфере нас еще ждет немало открытий.
Подпишитесь на Здоровьесберегающий видеоканал
Проникают в святая святых организма
Даже укромные уголки человеческого организма, которые, казалось бы, должны быть абсолютно стерильны, тоже проникают фаги. Например, они обнаруживаются в крови. Считается, что в кровоток они попадают из кишечника и других органов разными путями: через банальные повреждения слизистой оболочки и с помощью более сложных механизмов. В 2017 году ученые из Америки и Австралии обнаружили, что бактериофаги проникают в кровоток из кишечника путем направленного трансцитоза. На верхней, обращенной в сторону просвета органа, стороне клетки слизистой оболочки образуется углубление, и в него попадает бактериофаг. Затем он оказывается, как бы в пузырьке внутри клетки, добирается до ее нижней части, и там пузырек сливается с клеточной мембраной, а вирус оказывается снаружи. Ученые подсчитали, что таким путем из пищеварительной системы в кровь ежедневно должен попадать 31 миллиард фаговых частиц. Многие из них добираются до лимфатических узлов и взаимодействуют с иммунными клетками. Считается, что это приносит пользу иммунной системе.
![Трансцитоз фагов через клетку кишечника]()
Схема трансцитоза фагов через клетку кишечника © www.ncbi.nlm.nih.gov
Бактериофаги обнаруживаются даже в спинномозговой жидкости, которая омывает головной и спинной мозг. Как они сюда попадают и что тут делают – пока большая загадка.
Два жизненных цикла фага
Не все фаги сразу уничтожают своих жертв. У этих «роботов-хищников» выделяют два основных жизненных цикла:
- Литический цикл приводит к разрушению бактерии, и он характерен для вирулентных фагов. Такой бактериофаг, встретившись с подходящей бактерией, прикрепляется к ней, вводит внутрь свою ДНК, та встраивается в бактериальную хромосому и превращает микроорганизм в фабрику по производству новых фагов. Сначала синтезируется много копий фаговой ДНК, потом синтезируются белки для сбора новых вирусных частиц. При этом все остальные жизненные функции бактерии подавляются. В конечном счете новые фаги буквально разрывают бактериальную клетку изнутри, выходят наружу и отправляются на поиски новых жертв.
- Лизогенный цикл характерен для умеренных фагов, и он устроен хитрее по сравнению с литическим. Фаг так же встраивает свою ДНК (она называется профагом) в геном бактерии, но не спешит плодить свои копии. Вместо этого профаг может очень долго пребывать в клетке в неактивном состоянии, а его копии передаются всем потомкам микроорганизма. Но однажды ситуация может измениться – спонтанно или под действием каких-нибудь факторов, например, ультрафиолетового излучения. Происходит индукция профага и запускается литический цикл, бактерия погибает.
![Литический и лизогенный циклы фагов]()
Литический и лизогенный циклы. В одном случае фаг сразу убивает бактерию, а в другом может долго существовать внутри в виде вставки в ДНК – профага. © library.weschool.com
Существуют и другие типы взаимодействия бактериофагов с микроорганизмами. Они более сложны, и их изучением занимаются профильные специалисты.
Тайные помощники бактерий
Во время лизогенного цикла профаг далеко не всегда просто «спит» в бактериальной клетке. Он может активно работать, как самый обычный ген, и даже наделять хозяина некоторыми полезными свойствами. Например, помогает лучше сопротивляться неблагоприятным условиям окружающей среды, защищаться от иммунной системы в организме человека, вырабатывать токсины. Это явление называется фаговой модификацией.
Именно из-за профагов существуют такие опасные заболевания, как дифтерия и столбняк. Сами по себе бактерии, которые вызывают эти инфекции, практически безобидны для человека. Их мощнейшие токсины закодированы в фаговой ДНК.
Переносчики генов
В последние годы перед врачами остро стоит проблема антибиотикорезистентности. Бактерии становятся всё более устойчивыми к антибактериальным препаратам, и из-за этого лечить инфекции всё сложнее. На бактериофаги в этой ситуации часто смотрят как на спасителей. Но они не всегда нам друзья. Некоторые фаги могут «делиться» с бактериями генами антибиотикорезистентности. Это происходит благодаря так называемой трансдукции.
Трансдукция – не то же самое, что фаговая модификация. В данном случае фаг передает бактерии ген, позаимствованный у ее сородича, и он не связан жестко с профагом. Этот ген как бы приносится в дар, и в дальнейшем уже передается дочерним микроорганизмам без участия фага.
Существуют два вида фаговой трансдукции:
- Общая. Когда фаг разрушает бактерию, внутрь вирусных частиц рандомно и совершенно случайно упаковываются разные кусочки бактериальной ДНК.
- Специфическая – когда профаг вырезается из бактериальной ДНК и случайно захватывает соседние гены.
![фаговая трансдукция]()
Общая (1) и специфическая (2) фаговая трансдукция. В первом случае внутрь фаговой частицы попадает рандомный фрагмент бактериальной ДНК. Во втором случае фаг захватывает фрагмент ДНК бактерии, который находится рядом с ним, когда он вырезается. ДНК фага на рисунке красного цвета, а бактерии – черного.
Такая трансдукция очень важна для самих бактерий. Ведь они не могут размножаться половым способом. Если организм не получает новых генов, то у его потомков постепенно накапливаются мутации, и они вырождаются. Фаги становятся одними из поставщиков «новой крови».
Глобальный «фагонет»
Хотя фаги и самые крохотные организмы на нашей планете, за счет своей огромной численности они сильно влияют на многие экосистемы и вообще на всю биосферу. Современные ученые воспринимают вирусы как глобальную сеть передачи генетической информации. Они – движущая сила эволюции бактерий и косвенно всех остальных живых существ. Вот их некоторые глобальные эффекты:
- Передача генов между бактериями.
- Фаги работают как «антимонопольная служба». Активнее всего они уничтожают самые многочисленные популяции бактерий. Поэтому ни один вид микроорганизмов не может стать «монополистом» и вытеснить остальные.
- За счет разрушения бактерий фаги поставляют в мировой океан около трех гигатонн углерода каждый год.
- На крохотных плечах морских фагов держится вся экосистема. Если бы все бактерии доставались в пищу представителям зоопланктона, то вещество и энергия полностью переходили бы на следующий уровень пищевой цепочки. А фаги, разрушая бактерии, возвращают ценные вещества в растворенном виде в воду. Без них океан был бы другим.
Верные помощники ученых
![]()
Каждый образованный человек знает, что такое гены, хромосомы, наследственность, мутации. Об этом рассказывают на школьном курсе биологии. Но мало кто задумывается, откуда и как вообще ученые добыли эти знания. Многие фундаментальные основы жизни были открыты именно благодаря бактериофагам. Клетки человека и животных изучать сложно, а вирусы устроены примитивно: небольшая ДНК да белковая оболочка. К счастью, многие молекулярные механизмы едины для всего живого: у человека они работают так же, как у бактерий и фагов.
Вот лишь некоторые прорывные открытия в биологии, которые нам подарили бактериофаги:
- С помощью них ученые поняли, что мутации могут происходить случайно. Во время экспериментов бактериофаги добавляли к культурам микроорганизмов. Применив сложные расчеты, исследователи увидели, что устойчивость к фагам есть у некоторых бактерий изначально – а значит, соответственные изменения в генах возникли случайным образом. Во время копирования ДНК возникли ошибки, и они оказались для бактерий полезными.
- Фаги показали, что наследственная информация хранится именно в ДНК, а не в соединенных с ней белках. Чтобы разобраться в этом, ученые заражали бактерий фагами и анализировали, какая часть фага попадает в клетку. Оказалось, что это именно ДНК.
- В экспериментах на фагах T4 было впервые обнаружено, что каждую аминокислоту кодируют три «буквы» генетического кода в ДНК.
- В 1987 году ученые обнаружили в ДНК бактерий странные вставки в виде коротких повторов. Сначала думали, что это «генетический мусор». Но оказалось, что это защитная система против фагов. С помощью этих вставок бактерия распознаёт фаговую ДНК и «разрезает» ее с помощью специальных ферментов. Так была открыта система под названием CRISPR-Cas. И оказалось, что с помощью нее можно точно и быстро разрезать любые гены в нужных местах. Это стало прорывом в генной инженерии.
- Открытие фаговой трансдукции тоже помогло развитию технологий. Сегодня ученые, благодаря этому механизму, могут с помощью бактериофагов «загрузить» в бактерию нужные гены и заставить ее синтезировать определенные молекулы, например, лекарства.
![фаг лямбда]()
Не только против бактерий
Бактериофаги используют в современной медицине для борьбы с бактериальными инфекциями, но круг их потенциальных полезных эффектов намного шире. Исследования показывают, что в организме человека фаги могут:
- Усиливать иммунитет и улучшать работу макрофагов – клеток-пожирателей чужеродных частиц.
- Подавлять воспаление.
- Уменьшать продукцию свободных радикалов и предотвращать окислительный стресс.
- Работать как пробиотики за счет регуляции иммунитета в кишечнике.
- Способствовать борьбе организма с онкологическими заболеваниями.
- Активировать противовирусный иммунитет.
Во всех этих направлениях ведется научная работа, и возможно, в будущем показания к применению бактериофагопрепаратов расширятся.
Существа, которые ломают представления о биологии
До сих пор ученые не могут до конца разобраться, откуда взялись бактериофаги. Одни считают, что они существовали еще до бактерий в виде РНК-овых форм жизни, а потом обзавелись ДНК и превратились в паразитов. Другие утверждают, что вирусы – это ДНК, которая «сбежала» из бактерий, обзавелась белковой оболочкой и стала жить собственной жизнью. Третьи допускают, что некоторые бактерии в ходе эволюции деградировали и превратились в вирусы. А четвертые не исключают, что вирусы вообще могли быть первыми существами на Земле, и от них произошла вся жизнь.
Большие сложности возникают и с классификацией бактериофагов. Она меняется практически каждый год. Внешне все вирусы бактерий похожи, а вот их геном – мозаика, собранная из разных модулей. Исследуя геном фагов, очень сложно разобраться, кто кому родственник. Сейчас вообще считается, у фагов нет единого предка. Прародителей, видимо, было несколько, и они возникли независимо друг от друга.
![первая классификация фагов]()
Так выглядела первая классификация фагов – в зависимости от внешнего вида. Теперь она уже безнадежно устарела. На первый план выходит сложная и запутанная генетика. © researchgate.net
Изучение бактериофагов – интересное занятие. Но ученые работают в этом направлении не просто из праздного любопытства. Это уже принесло большую практическую пользу и может сильно помочь в дальнейшем развитии медицины, генной инженерии, других важных сфер.
Бактериофаги, пожиратели бактерий и конец эры антибиотиков