Бактериофаги — вирусы бактерий¶

Бактериофаги (от др.-греч. βακτήριον — «палочка» и φαγεῖν — «пожирать»), сокращённо фаги, — группа вирусов, поражающих бактериальные клетки. Название отражает способность этих вирусов лизировать (разрушать) бактерии. Бактериофаги являются наиболее распространёнными и разнообразными биологическими объектами на Земле: их общая численность оценивается в 10³¹–10³² частиц, они обнаружены в почве, воде, организмах животных и человека. Для человека фаги патогенности не представляют, поскольку специфичны исключительно к бактериальным клеткам.

¶История открытия

Первое косвенное описание фагов сделал английский бактериолог Фредерик Творт в 1915 году, заметив, что некоторые бактериальные культуры разрушаются под действием неизвестного агента. Независимо от него в 1917 году французский микробиолог Феликс д'Эрель обнаружил «микроб-убийцу» в испытаниях на дизентерийных бактериях и ввёл термин «бактериофаг». Д'Эрель предложил использовать фаги для лечения бактериальных инфекций — фаготерапию, первые клинические применения которой начались в 1920-е годы.

В СССР изучение бактериофагов получило широкое развитие в 1920–1930-е годы. Институт микробиологии и вирусологии в Тбилиси (ныне Институт бактериологии, микробиологии и вирусологии имени Георгия Элиавы) стал одним из мировых центров фаговых исследований. В СССР фаговые препараты (стафилококковый, стрептококковый, дизентерийный, синегнойный и другие бактериофаги) производились промышленно и применялись для лечения и профилактики кишечных и раневых инфекций. В западных странах после появления антибиотиков в 1940-х годах интерес к фаготерапии резко снизился.

¶Строение и классификация

Бактериофаги значительно разнообразны по размерам и форме. Наиболее изучены так называемые тейловые фаги (отряд Caudovirales), имеющие сложное строение: головку (икосаэдрическую капсид с двухцепочечной ДНК), хвост и волокна, служащие для прикрепления к бактериальной клетке. Размеры фагов составляют от 20–200 нм. Существуют также фаги без хвоста (например, семейство Microviridae с одноцепочечной ДНК) и с филаментозным (нитевидным) капсидом (семейство Inoviridae).

По типу генетического материала фаги делятся на ДНК-содержащие и РНК-содержащие, одноцепочечные и двухцепочечные. В современной таксономии бактериофаги отнесены к царству Riboviria, подцарству Duplodnaviria, включающему, в частности, герпесвирусы и каудовирусов.

¶Жизненный цикл

Размножение фагов в бактериальной клетке протекает по двум основным типам:

• Литический цикл — фаг прикрепляется к поверхности бактерии, впрыскивает ДНК, использует клеточный аппарат для синтеза собственных компонентов, собирает новые вирионы и по завершении цикла вызывает лизис (разрушение) клетки с выходом 50–200 новых фагов.
• Лизогенный цикл — геном фага встраивается в хромосому бактерии (в форме профага) и репликируется вместе с ней при каждом делении клетки. Под действием стресс-факторов (УФ-облучение, действие антибиотиков) лизогенный цикл может перейти в литический.

¶Роль в природе

Бактериофаги играют ключевую роль в регуляции численности бактерий в экосистемах. Ежедневно фаги уничтожают значительную часть морских бактерий, что влияет на круговорот углерода и других элементов в океане. Фаги переносят гены между бактериями (трансдукция), что является одним из механизмов горизонтального переноса генов и может включать гены устойчивости к антибиотикам и вирулентности.

¶Фаготерапия

Фаготерапия — использование бактериофагов для лечения бактериальных инфекций. В странах постсоветского пространства (Россия, Грузия, Польша) фаговые препараты применяются клинически на протяжении десятилетий. В России на фармацевтическом рынке присутствуют препараты «Бактериофаг стафилококковый», «Бактериофаг стрептококковый», «Бактериофаг синегнойный», «Бактериофаг пиобактериофаг комплексный» и другие, производимые, в частности, НПО «Микроген».

Преимущества фаготерапии: высокая специфичность (фаги не разрушают нормальную микрофлору), способность размножаться в очаге инфекции, эффективность при антибиотикорезистентных штаммах. Ограничения: узкая специфичность требует точного определения возбудителя, возможна резистентность бактерий к фагам, регуляторная база для фаговых препаратов в большинстве стран развита слабее, чем для антибиотиков.

В 2016 году в Грузии и США были зарегистрированы первые клинические исследования фаготерапии, а в 2019 году FDA (Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов США) одобрило использование фагового коктейля для лечения синегнойной инфекции у пациента с муковисцидозом в рамках экспериментальной терапии.

¶Бактериофаги в биотехнологии

Фаги применяются в молекулярной биологии и генной инженерии. Ферменты фагов, например рестриктазы, используются для разрезания ДНК. Фаговый дисплей — метод, при котором белки или пептиды экспрессируются на поверхности вириона, — применяется для подбора биологически активных молекул; его разработчики Ричард Лернер и Джордж Смит были удостоены Нобелевской премии по химии в 2018 году. Фаги также используются как векторы в генной терапии и для биоконтроля в пищевой промышленности (биоконтроль листерий в продуктах).

¶Источники

• Феликс д'Эрель. Бактериофаг и его поведение. — М.: Биомедгиз, 1935.
• Кутарьева Д. О., Северинов К. В. Бактериофаги и фаготерапия // Вопросы вирусологии.
• Янг Р. Бактериофаги: лизис клетки и ее регуляция // Биология клетки.
• Ackermann H.-W. Tailed phages of bacteria // Basic Microbiology.
• Малая медицинская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.