• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Бактеріофаг, його природа і практичне застосування. Вплив бактеріофага на мінливість мікроорганізмів.

Поняття про генотипову і фенотипову мінливість, її практичне використання. Мутації. Генетичні рекомбінації. Роль плазмід та транспозонів у формуванні резистентності у бактерій. Генодіагностика інфекційних хвороб (полімеразна ланцюгова реакція тощо).

Наука про закони спадковості називається генетикою (від грец. genesis — походження). Генетика бактерій — це розділ загальної генетики, який вивчає закономірності спадковості і мінливості у бактерій. Спадковість — це відтворення у нащадків ознак предків, зумовлене передачею генетичної інформації. Спадковість має дві властивості: консервативність — збереження нащадками спадкових особливостей протягом багатьох поколінь, і мінливість — здатність нащадків набувати ознак, які їх відрізняють від попередніх поколінь.

Функціональною одиницею спадковості є ген. Ген — це ділянка молекули ДНК (інколи РНК), у якій зашифрована послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюжку, що контролює певну ознаку організму.

За хімічною структурою ДНК і РНК — це полімери, які складаються з численних (десятки і сотні тисяч) мономерів-нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з трьох компонентів: вуглеводу, фосфату й азотистої основи. Молекули ДНК містять вуглевод дезоксирибозу, а молекули РНК — рибозу. У кожній молекулі нуклеїнової кислоти окремі нуклеотиди різняться між собою тільки за характером основ, два інших компоненти — фосфат і вуглевод — однакові. У складі нуклеїнової кислоти є чотири типи азотистих основ: у ДНК — аденін, гуанін, цитозин і тимін, у РНК — аденін, гуанін, цитозин і урацил. ДНК кодує синтез білків. Під час поділу клітини вона подвоюється і переходить у дочірні клітини. Так передається інформація про структуру білків у спадок. Процес подвоєння ДНК називається реплікацією (від лат. replica-tio — повторення). Під час реплікації нитки ДНК розходяться, а із цитоплазми до кожної нитки добудовуються нуклеотиди і утворюють новий ланцюг ДНК. Цей процес відбувається під впливом ферменту ДНК-полімерази. Посередником у передачі спадкової інформації виступає матрична РНК, яка синтезується за участі ферменту ДНК-залежної РНК-полімерази (транскриптази) на молекулі ДНК за законом комплементарності. Цей процес називається транскрипцією (від лат. transcriptio — переписування). У молекулі матричної РНК зашифрована послідовність амінокислот білкових молекул, які синтезуються на рибосомі. Білки, що синтезуються в клітині, відповідають будові, яку задає геном клітини. Цей процес називається трансляцією (від лат. translatio — передача, переклад). Збільшення довжини молекули білка на рибосомі називається елонгацією (від лат. е(х) — із і longus — довгий). Таким чином, процес передачі спадкової інформації можна схематично виразити так:

ДНК ----------------- ► Матрична РНК --------------- ► Білок

Транскрипція Трансляція

Оскільки у ретровірусів (від лат. retro — назад) РНК є матрицею для синтезу ДНК, то в процесі передачі спадкової інформації на РНК спочатку синтезується ДНК (цей процес відбувається під впливом ферменту ревертази — зворотної транскриптази), а далі все відбувається за законом загальної біології. Цей* процес можна виразити так:

РНК---------- ► ДНК---------- ► Матрична РНК--------- ► Білок

транскрипція Транскрипція Трансляція

Виділяють такі особливості генетики бактерій:

1. Гени бактерій організовані в одну молекулу ДНК, яку нази­вають хромосомою. Хромосома у бактерій розміщена віль­но у цитоплазмі і не відокремлена від неї мембранами, але пов'язана з певними рецепторами на цитоплазматичній мемб­рані клітини. Оскільки довжина хромосоми набагато переви­щує довжину бактеріальної клітини (довжина палички Е. соїі становить 1,5—3,0 мкм, а довжина її хромосоми — 1,2 мм), то вона перебуває у суперспіралізованій формі.

2. Вміст ДНК у бактерій непостійний, за сприятливих умов може збільшуватися у декілька (4—8) разів. Біологічне зна­чення цього явища полягає в тому, що під час збільшення ДНК утворюється декілька копій генів, зростає кількість ри­босом, збільшується швидкість біосинтезу клітинних струк­тур, а отже, і швидкість розмноження — одна з головних умов збереження виду у природі.

3. Передача генетичної інформації відбувається не тільки по вертикалі (від материнської клітини до дочірньої), а й по го­ризонталі (від клітини до клітини).

4. Носіями спадковості у бактерій є не тільки ті гени, що міс­тяться у хромосомі, а й ті, що містяться у позахромосомних молекулах ДНК: плазмідах, транспозонах, інсерційних послі­довностях.

Повний набір генів бактеріальної клітини становить її геном (ге­нотип). Бактеріальна хромосома має два типи генів: структурні гени (цистрони) і гени-регулятори. Гени-цистрони кодують струк­туру молекул білків, які синтезуються в клітині (ферментів, токси­нів та ін.). Унаслідок зміни структурного гена синтезується білок зі зміненими властивостями. Гени-регулятори регулюють активність структурних генів. Робота генів спрямована на здійснення життєво­го циклу клітини. Оскільки він включає безліч біохімічних реакцій, тісно пов'язаних між собою, то це вимагає добре узгодженої у часі роботи генів. Така узгодженість можлива лише за умови чіткого ке­рування ними.

Основною структурно-функціональною одиницею хромосоми є оперон (схема 3). Це група структурних генів (цистронів), які фізич­но з'єднані один з одним і з геном-оператором. Ген-оператор контр­олює вираження всієї групи цистронів, що входять в один оперон, тобто він здатний "включати" і "виключати" трансляцію (читання) генетичної інформації з генів-цистронів. Оперон (структурні гени і ген-оператор) перебуває під контролем гена-регулятора, який кодує синтез білка-репресора. Ген-регулятор контролює один або декіль­ка оперонів. До складу оперона входить промотор. Промотор — це ділянка ДНК, з якою взаємодіє РНК-полімераза і з якої починається синтез матричної РНК. У складі оперонів можуть бути й інші регу­ляторні елементи.

Сукупність усіх ознак і властивостей організмів, що формують­ся в процесі індивідуального розвитку внаслідок реалізації геному, називається фенотипом. Зміна навколишнього середовища спричинює зміни метаболізму мікроорганізмів, а інколи і зміну генетичних структур, що призводить до зміни їх властивостей, тобто умови на­вколишнього середовища сприяють експресії (прояву) генів або при­гніченню їх функції.

Причинами мінливості можуть бути фізичні, хімічні і біологічні фактори навколишнього середовища: різні види випромінювання, магнітні поля, низька або висока температура, недостатність воло­ги, поживних речовин, солі літію, хіміотерапевтичні препарати, ан­тибіотики, фаги тощо.

Під час культивування мікроорганізмів у лабораторних умовах причиною мінливості мікроорганізмів може бути тривале вирощу­вання їх на несприятливих поживних середовищах або пасаж в ор­ганізмі несприйнятливих тварин. У разі відновлення оптимальних умов культивування мікроорганізмів, пасажів на сприятливих по­живних середовищах і зараження сприйнятливих тварин втрачені ознаки відновлюються.

Мікроорганізми здатні змінювати морфологічні, тинкторіальні, культуральні, біохімічні, біологічні й інші ознаки.

Мінливість морфології мікробів проявляється в тому, що бак­теріальна клітина може змінювати свою форму: паличкоподібні форми бактерій можуть набувати колбоподібної, ниткоподібної, дріжджеподібної форми, вигляду розгалуженої нитки, що нагадує міцелій гриба тощо. Разом із тим змінюються й інші ознаки: утво­рення джгутиків, спори, капсули, спорідненість до барвників (мін­ливість тинкторіальних ознак). Будь-яка зміна морфологічних ознак супроводжується зміною культуральних і фізіологічних влас­тивостей, тобто зміни в бактеріальній клітині взаємопов'язані.

Мінливість культуральних властивостей проявляється як на щільних, так і в рідких поживних середовищах. На щільному поживному середовищі мікроорганізми можуть утворювати колонії двох основних типів (табл. 2): гладенькі, S-форми (від англ. smooth — гладенький) і шорсткі, R-форми (від англ. rough — шорсткий).

Така мінливість називається дисоціацією. Зі зміною форми колоній змінюються й інші властивості бактерій.

Таблиця 2. Основні властивості бактерій із S I R-колоній

Більшість бактерій патогенні в S-формі, але є винятки: так, збуд­ники туберкульозу, чуми, сибірки більш патогенні у R-формі.

У рідких поживних середовищах S-форма бактерій зазвичай утворює рівномірне помутніння, R-форма — осад, пристінковий ріст, плівку, а середовище залишається прозорим.

Мінливість ферментативних функцій проявляється в тому, що мікроби виробляють певні ферменти (адаптивні) тільки за наявності субстрату, тобто субстрат індукує синтез ферменту. Так, стафілокок виробляє фермент пеніциліназу тільки за наявності пеніциліну.

Мінливість біологічних властивостей проявляється у знижен­ні ступеня патогенності хвороботворних видів мікроорганізмів, але при цьому зберігаються їх антигенні властивості. Такі штами мікро­організмів були використані для виготовлення атенуйованих (осла­блених) живих вакцин. Атенуйовані штами мікроорганізмів можна отримати шляхом тривалого пересівання культури на несприят­ливих поживних середовищах. Так, французькі вчені А. Кальмет і Ш. Герен пересівали штам мікобактерій туберкульозу протягом 13 років через кожні 14 діб (зробили 230 пасажів) на картопляному середовищі з бичачою жовчю (несприятливе поживне середовище для мікобактерій туберкульозу). Штам мікроорганізмів втратив патогенні властивості і був використаний для виготовлення живої вакцини проти туберкульозу. Цю вакцину назвали BCG — Bacille Calmette—Guerin (БЦЖ).

Розрізняють дві форми мінливості: неспадкову — фенотипову і спадкову — генотипову.

Фенотипова мінливість (модифікаційна) виникає зі зміною факторів навколишнього середовища, які не змінюють структуру генетичного апарату, а отже, не передається у спадок. Фенотипова мінливість не має значення для еволюції мікробів, але вона спри­яє виживанню мікробної популяції. У разі відновлення оптималь­них умов набуті зміни втрачаються. Модифікації (від пізньолат. modificatiu — зміна) можуть стосуватися різних властивостей мі­кробів: морфологічних, культуральних, біохімічних. При цьому діапазон модифікаційних змін обмежений нормою реакцій, зумов­леною генотипом. Прикладом морфологічних модифікацій може бути тимчасова втрата клітинної стінки і перетворення бактерій на L-форму. Після усунення факторів, що спричинили це перетворен­ня, настає реверсія (від лат. reversio — повернення) нестабільних L-форм у вихідну форму.

Зниження вмісту кисню спричинює порушення пігментоутворення у мікобактерій туберкульозу, стафілокока, що призводить до культуральних модифікацій. Вважають, що змінені умови навколишнього середовища активують гени, які за інших умов були заблоковані ("мовчазні" гени).

Біохімічні модифікації проявляються в індукції або репресії структурних генів, що перебувають під контролем гена-регулятора. Так, кишкова паличка виробляє фермент бета-галактозидазу (фер­мент, що розщеплює дисахарид лактозу до моносахаридів глюко­зи і галактози) тільки за наявності лактози. Модифікаційні зміни слід враховувати під час ідентифікації культури мікроорганізмів.

Генотипова мінливість пов'язана зі змінами генетичних структур клітин, тому передається у спадок. Вона проявляється у вигляді мутацій і рекомбінацій.

Мутації (від лат. mutatio — зміна) — це зміни в генотипі, які стабільно успадковуються. Змінені внаслідок мутацій мікробні клітини називаються мутантами, а фактори, які спричинюють появу мутантів — мутагенами. Мутації відіграють важливу роль в еволюції мікробів. За походженням мутації бувають спонтанні й індуковані. Спонтанні (від лат. spontanaus — добровільний, мимовільний) мутації виникають у мікробних популяціях in vivo (в живому організмі) та in vitro (поза живим організмом) внаслідок порушень структури генів під час реплікації нуклеїнової кислоти під впливом неконтрольованих факторів. Середня частота мутацій — 1 мутантна клітина на 1 000 000 нормальних клітин.

Індуковані (від лат. inductio — наведення) — це спрямовані му­тації, які виникають унаслідок штучного впливу на мікроорганіз­ми спеціальних мутагенів: іонізуючої радіації, ультрафіолетового випромінювання, антибіотиків, температури, хімічних речовин тощо. Молекулярні механізми спонтанних і індукованих мутацій однакові.

За величиною змін у геномі розрізняють генні і хромосомні му­тації. Генні мутації частіше бувають точковими. Вони пов'язані з випаданням (делеція), додаванням (дуплікація) або заміною однієї основи на іншу в молекулі ДНК (рекомбінація). Це призводить до того, що замість однієї амінокислоти кодується інша або утворюєть­ся кодон, що не кодує жодної амінокислоти (нонсенсмутація).

Хромосомні мутації (геномні перебудови) супроводжуються випаданням або зміною відносно великих ділянок генома: випадання значної кількості нуклеотидів (протяжна делеція), поворот сегмента хромосоми на 180° (інверсія), переміщення ділянки хромосоми з однієї позиції в іншу (транслокація), повторення будь-якого фрагмента ДНК (дуплікація). Такі мутації найчастіше незворотні і призводять до порушення різних функцій бактеріальної клітини.

Ефекти мутацій можуть стосуватися будь-яких ознак мікроорганізмів: морфологічних, культуральних, біохімічних, біологічних та ін.

За фенотиповими наслідками розрізняють мутації нейтральні, умовно-летальні і летальні. Нейтральні мутації фенотипово не про­являються зміною ознак, оскільки вони не впливають на функ­ціональну активність ферментів, що синтезуються. Мутації, що спричинюють зміну, але не призводять до втрати функціональної активності ферменту, називають умовно-летальними. Летальні мутації характеризуються втратою здатності синтезувати життєво важливі для бактеріальної клітини ферменти.

Основним механізмом передачі генів є вертикальний, тобто пе­редача генів від материнської клітини в спадок дочірнім. Але для бактерій важливою формою обміну генетичною інформацією є пере­несення генів по горизонталі, тобто від клітини-донора до клітини-реципієнта. Ці форми передачі спадковості називають генетичними рекомбінаціями.

Генетичні рекомбінації (від лат. ге — префікс, що вказує на повторення або зворотну дію, і combinatio — сполучення) — це об­мін генетичним матеріалом між привнесеною ДНК і хромосомою клітини-реципієнта. Іншими словами, це поява нових поєднань ге­нів, що призводить до появи нових ознак у нащадків. Рекомбінують між собою тільки двониткові ДНК, тому коли переноситься одна нитка ДНК, вона спочатку добудовується другою ниткою за законом компл ементарності.

Передача генів від однієї бактеріальної клітини до іншої відбува­ється по-різному, але найчастіше шляхом трансформації, трансдук­ції та кон'югації.

Трансформація (від лат. transformo — перетворювати) полягає в тому, що клітина-реципієнт поглинає із зовнішнього середовища фрагмент чужорідної ДНК (найчастіше не більше ніж 0,01 довжи­ни бактеріальної хромосоми). Трансформація може бути спонтан­ною та індукованою. При індукованій (штучній) трансформації до культури бактерій, що досліджується, додають очищену ДНК ін­шої культури бактерій, від якої намагаються їй передати генетичні ознаки. Спонтанна трансформація відбувається у природних умовах у разі змішування клітин мікроорганізмів, що генетично відрізня­ються. ДНК мікробів виділяються у навколишнє середовище у разі лізису клітин або внаслідок активного виділення ДНК життєздат­ними клітинами-донорами.

Трансформації піддаються не всі клітини в популяції. Клітини, що здатні поглинати донорську ДНК, називають компетентними. Клітина з рекомбінатною ДНК називається мерозиготою. Під час поділу мерозиготи дочірні клітини наслідують ознаки клітини-донора і клітини-реципієнта. При цьому фрагмент молекули донора включається в хромосому реципієнта і витісняє гомологічну ділян­ку ДНК реципієнта, тобто відбувається заміщення реципієнтного гена на донорський. Ефективність рекомбінацій залежить від ступе­ня гомологічності ДНК донора і реципієнта, тому внутрішньовидо­ва трансформація відбувається частіше, ніж міжвидова. У природ­них умовах цей процес відбувається не дуже часто, тому що у бакте­рій, як і в інших організмів, є система самозахисту геному.

Ефективність генетичної трансформації підвищується за умови оброблення електричним імпульсом суміші бактеріальних клітин і чужорідної ДНК. Цей метод застосовують для отримання рекомбі-нантних штамів бактерій.

Трансдукція (від лат. transductio — переміщення) — це перене­сення генетичного матеріалу від одних бактерій до інших за допо­могою фагів. Трансдукцію можуть здійснювати як вірулентні, так і помірні фаги різних видів бактерій.

Розрізняють три види трансдукції: неспецифічну (загальну), спе­цифічну (локалізовану) й абортивну. У разі неспецифічної транс­дукції в процесі репродукції (в момент збирання фагової часточки) в її головку разом з фаговою ДНК може проникнути будь-який фраг­мент ДНК бактерії-донора (він становить близько 1—2,5 % довжини бактеріального геному). У разі проникнення цього фага в іншу бактеріальну клітину (клітину-реципієнт) разом із фаговою ДНК можуть бути перенесені будь-які гени клітини-донора (наприклад, гени, що контролюють синтез токсинів, гени резистентності до антибіотиків).

Специфічна трансдукція полягає в тому, що фаг переносить тільки певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта. Цей вид трансдукції здійснюється лише помірними фагами, які у вигляді профага включаються тільки в певні ділянки хромосоми бактеріальної клітини.

Абортивна трансдукція полягає в тому, що привнесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора не включається в хромосому бакте­рії-реципієнта, а розміщується в її цитоплазмі у вигляді транспозо-на. Він не здатний до реплікації. Під час поділу клітини-реципієнта цей фрагмент передається одній дочірній клітині і врешті-решт втрачається у потомстві.

Фаги трансдукції сприяють обміну генетичною інформацією між бактеріями не тільки одного виду, а й різних видів і навіть родів. Це визначає їх велику роль в еволюції бактерій. Вивчення явища трансдукції дає змогу пояснити випадки фагової (лізогенної) конверсії — зміни метаболізму лізогенної бактеріальної клітини, а отже, і зміни її властивостей. Так, токсигенність багатьох видів бактерій (коринебактерій дифтерії, клостридій ботулізму, стрептококів) зумовлена фаговою конверсією непатогенних штамів, тобто бактерії набувають здатність продукувати екзотоксин у тому випадку, коли в них проникає помірний фаг разом з тюх-геном.

Кон'югація — це процес перенесення генетичного матеріалу через донорські війки під час безпосереднього контакту клітин донора і реципієнта. До кон'югації схильні бактерії, що містять кон'югативні плазміди.

Найбільш типовим представником кон'югативних плазмід є F-плазміда, яка забезпечує донорськими функціями ентеробактерії.

F-плазміда може перебувати в автономному стані або інтегруватися в хромосому клітини і реплікуватися разом із нею.

До позахромосомних факторів спадковості належать плазміди, транспозони, інсерційні послідовності. Всі ці фактори є молекула­ми ДНК, які різняться за молекулярною масою, об'ємом закодова­ної в них інформації, здатністю до автономної реплікації та іншими властивостями. Вони не є життєво необхідними для бактеріальної клітини, тому що не несуть інформації про синтез ферментівВсі відомі плазміди — це суперспіралізован імолекули двониткової ДНК, замкнуті в кільце. Вони містять від 1500 до 400 000 пар нуклеотидів. У бактеріальній клітині вони частіше містяться в цитоплазмі у вільному стані, але можуть інтегрувати в геном клітини-хазяїна. Поширюються плазміди серед бактерій вертикально і горизонтально шляхом трансформації, трансдукції і кон'югації. Залежно від того, якими властивостями наділяють плазміди клітину-хазяїна, їх поділяють на різні категорії.

F-плазміда контролює синтез F-пілей, які беруть участь у кон'югації клітин.

R-плазміди (їх існує велика кількість) визначають стійкість (ре­зистентність) бактерій-хазяїнів до лікарських препаратів. Значне поширення И-плазмід серед патогенних і умовно-патогенних бак­терій різних видів дуже ускладнює хіміотерапію хвороб, які вони спричинюють. Приблизно у 60—90 % грамнегативних бактерій ре­зистентність до лікарських препаратів пов'язана з И-плазмідами. Останні містять г-ген, який контролює у бактерій синтез ферменту, що зумовлює інактивацію або модифікацію лікарського препарату. В одному г-гені може міститися декілька транспозонів, які контро­люють стійкість до різних антибіотиків. Цим пояснюється множин­на стійкість бактерій до лікарських препаратів.

Плазміди патогенності контролюють утворення факторів па­тогенності бактерій: адгезію, колонізацію, утворення біологічно ак­тивних речовин, що спричинюють проникнення бактерій у клітини і тканини макроорганізму, утворення токсинів тощо.

Забезпечуючи обмін генетичного матеріалу у бактерій, плазміди відіграють велику роль в їх еволюції. Безконтрольне використання антибіотиків та інших антибактеріальних препаратів різко змінило природні умови існування бактерій і призвело до збільшення час­тоти виникнення резистентних форм (біологічний засіб самозахис­ту бактерій). У свою чергу, плазміди також зазнають мутацій під дією різних факторів, що зумовило формування атиповості багатьох збудників інфекційних захворювань.

Фактори бактеріоциногенності — це генетичні елементи бак­теріальних клітин, які контролюють синтез специфічних білків — бактеріоцинів, здатних пригнічувати ріст бактеріальних клітин ін­ших штамів цього виду або генетично близьких видів. Бактерії, що містять плазміди бактеріоциногенності, використовують для отри­мання еубіотиків.

Транспозони, як і плазміди, є суперспіралізованими двонитко-вими молекулами ДНК, замкнутими в кільце. Вони містять 1500— 25 000 нуклеотидів, можуть перебувати у цитоплазмі у вільному стані, а також мігрувати у хромосоми бактеріальної клітини.

Транспозони як носії генетичної інформації здатні передавати гени токсигенності, резистентності до лікарських препаратів, фер­ментів метаболізму тощо.

Інсерційні, або вставні, послідовності (від англ. insertion — вставка і seguense — послідовності) — це фрагменти двониткової ДНК, які містять 1000—1500 пар нуклеотидів. На відміну від плаз-мід і транспозонів інсерційні послідовності не виявлені у цитоплазмі у вільному стані. Мутагенна дія їх полягає в тому, що, включаючись у бактеріальну хромосому, вони спричинюють (індукують) мутації, ко­ординують взаємозв'язок транспозонів, плазмід, як між собою, так і з бактеріальною хромосомою; регулюють активність генів хромосоми.

Для вірусів також характерна фенотипова і генотипова мінли­вість.

Фенотипова мінливість зумовлена клітиною хазяїна, в якій відбувається репродукція вірусів. Вона проявляється зміною хіміч­ного складу суперкапсиду (зовнішньої оболонки віріону), пов 'язаною з включенням до її складу ліпідів і вуглеводів клітини-хазяїна.

Генотипова мінливість може проявлятися у вигляді мутацій і ре-комбінацій.

Спонтанні мутації виникають під час реплікації їх нуклеїно­вих кислот і можуть стосуватися різних властивостей вірусів.

Індуковані мутації виникають під впливом тих самих фізичних і хімічних мутагенів, які зумовлюють мутації у бактерій. Одні з них (азотиста кислота, нітрозогуанідин) діють на позаклітинний вірус (віріон), інші (акредин, аналоги азотистих основ) — на внутрішньо­клітинний вірус під час реплікації його нуклеїнової кислоти.

Мутанти вірусів різняться за антигенною структурою, чутливіс­тю до температури та іншими властивостями.

Рекомбінації відбуваються у разі одночасного зараження двома вірусами чутливої до них клітини-хазяїна.

Розвиток молекулярної генетики створив умови для вивчення молекулярно-генетичних механізмів патогенних та імуногенних властивостей мікроорганізмів, причин появи нових варіантів пато­генних і умовно-патогенних мікроорганізмів, селекції патогенних мі­кроорганізмів зі зниженою вірулентністю (ці мікроби часто втрачають здатність спричинювати формування імунітету). А це призводить до формування латентних (прихованих) і хронічних форм інфекцій, по­яви штамів патогенних мікроорганізмів, резистентних до лікарських і дезінфекційних препаратів, появи атипових форм інфекційних хво­роб. Це дало змогу пояснити зміни в патогенетичному і клінічному перебігу інфекційних хвороб, причини поширення внутрішньолікар-няних інфекцій і розробити заходи їх профілактики.

За допомогою генетичних методів отримані культури мікроорга­нізмів, які використовуються у виробництві вакцин, анатоксинів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків, продуктивність яких в 200— 1000 разів вища за таку у диких штамів.

Велике наукове і практичне значення має новий розділ генетики — генна інженерія. Методи генної інженерії дають змогу створити штучні гени із нуклеотидних послідовностей, які несуть задану ге­нетичну інформацію, а також розробити способи перенесення генів в інші клітини прокаріотів або еукаріотів. Унаслідок цього мікроор­ганізми стають продуцентами таких речовин, які хімічно отримати дуже важко, а інколи і неможливо. Нині завдяки розвитку генної ін­женерії методом мікробіологічного синтезу виробляють лікувально-профілактичні препарати: інсулін, інтерферони, інтерлейкіни, гор­мони, вітаміни, високоочищені вакцини (так, після введення гена вірусу гепатиту В у дріжджові клітини була отримана рекомбінант-на вакцина). Мінливість мікроорганізмів слід враховувати при іден­тифікації культури атипових форм мікроорганізмів під час прове­дення діагностичних і профілактичних лабораторних досліджень.

Результати досліджень генетики мікроорганізмів були викорис­тані під час вивчення молекулярно-генетичних закономірностей ви­щих організмів

Бактеріофаги (від грец. bakterion і phagos — той, що поїдає, по­глинає бактерію) — це віруси, які паразитують на бактеріях і здатні спричинювати їх лізис (від грец. lysis — розчиняти).

Явище бактеріофагії, тобто лізису бактерій фагами, спостеріга­ли багато вчених (В.А. Хавкін, М.Ф. Гамалія та ін.), але пріоритет у відкритті бактеріофага (1917) нале­жить канадському вченому Феліксу д'Ереллю, який працював в Інституті Пастера у Парижі.

Вивчаючи дизентерію, він замис­лився над тим, чому на початку захво­рювання збудник хвороби висіваєть­ся з випорожнень хворого у великій кількості, а наприкінці захворювання — не висівається. Він запідозрив по­яву якогось агента, який знищував збудника дизентерії. Щоб виявити його, Ф. д'Ерелль кожного дня вно­сив у пробірки із засіяною культурою збудників дизентерії фільтрат випо­рожнень хворого. Після інкубації в термостаті культура виростала. Але коли хворий почав одужувати, культура збудників дизентерії під впливом фільтрату випорожнень розчинилася, при чому лізуюча здатність фільтрату випорожнень посилювалася під час послідовних пасажів (від франц. passage — перехід) на свіжих культурах бакте­рій. З цього вчений зробив висновок, що лізис бактерій спричинює живий агент, здатний проникати через бактеріальний фільтр, тобто вірус. Д'Ерелль назвав його Bacteriophagum intestinale, що означає: той, що поїдає бактерії і виділений з кишечнику.

Пізніше були відкриті віруси, здатні руйнувати клітини синьо-зелених водоростей, актиноміцетів. Тому цю групу вірусів стали на­зивати фагами

За своєю природою це живі організми. Вони здатні розмножу­ватися, змінюватися під впливом факторів навколишнього серед­овища, адаптуватися до інших видів мікробів, передавати у спадок свої властивості. Фаги інфікують і руйнують тільки молоді клітини мікроорганізмів, вони є облігатними внутрішньоклітинними пара­зитами мікробних клітин.

Як в усіх вірусів, віріони фагів складаються з білкової оболон­ки — капсиду і нуклеїнової кислоти . У більшості фагів розрізняють головку і хвостовий відросток. У деяких фагів відрос­ток дуже короткий або взагалі відсутній. За формою фаги бувають: ниткоподібні, сферичні та сперматозоїдні. За розміром — дрібні, се­реднього розміру і великі. Розмір фагової часточки коливається від 20 до 200 нм. Діаметр головки в середньому становить 60—100 нм, довжина відростка — 100—200 нм. представлена РНК, одно- та дво-нитковою ДНК. Найбільше ви­вчені Т-фаги (від англ. type — ти­пові). Вони утворюють Т-групу колі-дизентерійних фагів: непарні — Т,, Т₃, Т₅, Т₇ і парні — Т₂, Т₄, Т₆. Найбільш складну структуру мають Т-парні фаги, а конкретно саме Т₂.

У фага Т₂ капсид головки шести­гранної форми, капсомери в ній розміщені за кубічним типом симетрії. Капсид чохла відростка має цилін­дричну форму, капсомери в ньому розміщені за спіральним типом си­метрії. На кінці відростка є шести­кутна базальна пластинка, в кутах якої розміщені зубці і фібрили. У го­ловці фага міститься двониткова су-перспіралізована ДНК, на вільному кінці відростка — фермент лізоцим.

Фаги більш стійкі до фізичних і хімічних факторів навколиш­нього середовища, ніж вегетативні форми бактерій, у яких вони розмножуються. Фаги витримують нагрівання до 75 °С, заморожу­вання, висушування, коливання рН від 5,0 до 8,5, не чутливі до ан­тибіотиків, хлороформу, фенолу, розчинів гліцерину й етилового спирту. Ці фактори використовують для виділення фагів. На фаги згубно діють кислоти, формалін, ультрафіолетове та іонізуюче раді­аційне випромінювання.

Зберігають фаги у запаяних ампулах у рідкому і ліофілізованому стані протягом 5—6 і навіть 13 років за температури 6±4 °С у місці, захищеному від світла.

Фаги здатні розмножуватися в клітинах певного виду бактерій, що зумовлено наявністю рецепторів у фагів і на оболонці відповід­них мікробних клітин. Тому в основу номенклатури фагів покладе­на видова назва мікроба-хазяїна: дизентерійні фаги, стафілококові, сальмонельозні, дифтерійні та ін.

За специфічністю розрізняють: видові фаги, які паразитують у клітинах тільки одного виду бактерій (холерний, дифтерійний); по­лівалентні, що паразитують у клітинах близьких видів бактерій, які належать до одного роду (полівалентний дизентерійний фаг); типові, які паразитують у клітинах окремих варіантів одного виду мікроорганізмів (стафілококові, черевнотифозні). Типові фаги на­ зивають літерами латинського ал­фавіту або цифрами. За допомогою типових фагів проводять найбільш детальну диференціацію бактерій всередині одного виду, поділяючи їх на фаговаріанти, що має важливе діагностичне значення.

Розрізняють фаги інфекційні — здатні проникати у мікробну кліти­ну, і неінфекційні, або незрілі, — це фаги, що перебувають у стадії роз­множення.

Інфекційні фаги, в свою чергу, поділяють на вірулентні — здат­ні репродукуватися в мікробній клітині і спричинювати її лізис, і помірні — здатні проникати в мі­кробну клітину й інтегрувати в її геном. Поза живою клітиною фаги перебувають у стадії спокою.

Життєвий цикл фага може про­являтися у формі продуктивної, ре-дуктивної й абортивної інфекції.

Продуктивну інфекцію спричи­нюють вірулентні фаги. При цьому життєвий цикл фага складається з 6 послідовних стадій

І —адсорбція на поверхні чутли­вої клітини за допомогою хвосто­вого відростка. Вона відбувається, якщо фагові рецептори відповіда ють рецепторам клітинної стінки бактерій; на протопластах (клітинах, що повністю втратили клітинну стінку) фаги не адсорбуються. На адсорбцію фага впливають хімічний склад середовища, рН, температура;

II — проникнення нуклеїнової кислоти фага в бактеріальну клітину (оболонка фага залишається поза клітиною і називається"тінню" фага);

ІІІ— реплікація фагової нуклеїнової кислоти;

IV— синтез білкової оболонки фага і фагоспецифічних фермен­тів;

V — формування нових часточок фагів;

VI — вихід сформованих фагів із клітини відбувається за рахунок лізису із середини вільним лізоцимом — шлях "вибуху".

Деякі ДНК-геномні фаги вивільняються із клітини шляхом"просочування" через цитоплазматичну мембрану і клітиннустінку, під час якого утворюється їхній капсид. Бактеріальнаклітина при цьому залишається життєздатною.

З однієї фагової часточки синтезується 200—300 нових фа­гів. Цикл репродукції фагів відбувається дуже швидко. Вже через 13 хв після проникнення фага в чутливу клітину з'являються нові віріони.

Якщо на клітині адсорбується велика кількість фагових віріонів, то може відбутися лізис і ззовні. Репродукція фага при цьому не відбувається.

Редуктивну інфекцію спричинюють тільки помірні фаги. У цьому разі життєвий цикл фага складається з таких стадій:

I — адсорбція фага на поверхні чутливої клітини;

II — проникнення фагової нуклеїнової кислоти в бактеріальну клітину;

III— інтеграція (від лат. integer — цілий) фагової нуклеїнової кислоти в хромосому клітини — фагова нуклеїнова кислота стає складовою частиною геному клітини-хазяїна, утворюючи єдину хромосому, і називається профагом.

Явище симбіозу профага і бактеріальної клітини називається лізогенією, а культура мікроорганізмів, що містить профаг, — лізогенною. Ця назва відображає потенційну здатність лізогенних клітин до лізису у разі вивільнення профага із складу бактеріаль­ного геному і перетворення його на вірулентний фаг. Лізогенна клітина не гине, вона розмножується, а профаг передається у спа­док її дочірнім клітинам. Разом із профагом бактеріальна клітина може отримати гени, що несуть інформацію про будь-які власти­вості (наприклад, tox-ген надає мікробній клітині властивість про­дукувати екзотоксин — збудник дифтерії). Таку форму мінливості називають лізогенною, або фаговою, конверсією, а здатність фага переносити гени — трансдукцією.

Виходу профага із хромосоми клітини заважає білок-репресор, синтез якого контролюється фагом. Лізогенна культура набуває імунітету щодо проникнення в неї інших часточок цього фага. У разі дії на лізогенну культуру суббактерицидних доз рентгенівського, ультрафіолетового, космічного випромінювань, хімічних речовин та інших факторів, що інактивують білок-репресор, профаг може вийти із хромосоми, перетворитися на вірулентний фаг і спричинити продуктивну інфекцію — лізис бактеріальної клітини. Помірні фаги можуть бути дефектними, тобто не здатними давати фагове потомство. Такі фаги використовують для трансдукції в генній інженерії.

При абортивній (від лат. abortus — переривати) інфекції взаємодія фага з мікробною клітиною переривається на будь-якій стадії його життєвого циклу і він гине.

Фаги дуже поширені у природі. їх виявляють в організмах людей, тварин і їх випорожненнях, у воді річок і морів; особливо багато їх у стічних водах, де є відповідні бактерії, у ґрунті, повітрі, музейних культурах. Фаги виділяли із тканин пухлин, що утворюються на рослинах, із овочів, фруктів, молока.

Джерелом фагів проти патогенних мікробів є хворі люди і твари­ни, носії і реконвалесценти, об'єкти навколишнього середовища. У людей фаги виділяли з випорожнень, сечі, крові, мокротиння, сли­ни, гною, виділень із носа.

Виділення фагів патогенних мікробів із ґрунту, води вказує на те, що в цій місцевості є хворі люди чи тварини, які їх виділяють у довкілля. Виявляють фаги в об'єктах навколишнього середовища за допомогою реакції наростання титру специфічного фага (РНТФ).

Добувають фаги із фільтрату матеріалу, що досліджується, або із бульйонної культури мікроорганізмів, до якої додають виробничий фаг і інкубують за температури 37 °С протягом 1 доби. За цей час кількість фагових часточок різко збільшується. Потім цю культуру фільтрують через бактеріальний фільтр. Фільтрат перевіряють на чистоту, стерильність, нешкідливість і активність фага.

Наявність вірулентного фага виявляють за його здатністю спри­чинювати лізис тест-культури. Методи виявлення фагів бувають якісні і кількісні.

Якісне виявлення фагів проводять на щільному поживному середовищі, засіяному тест-культурою. Фаг спричинює появу стерильних (прозорих) плям у тому місці, де був нанесений специфічний фаг. Ці стерильні плями називають негативними колоніями фага. У рідкому поживному середовищі вірулентий фаг зумовлює відсутність росту культури (бульйон залишається прозорим) або розчинення культури (просвітління бульйонної культури мікроорганізмів).

Кількісне визначення фага (визначення його активності) прово­дять за методами Аппельмана або Граціа. Титр фага за Аппельма-ном — це найбільше його розведення (або найменша концентрація), при якому фаг пригнічує ріст тест-культури в умовах досліду. Титр позначають цифрою, що вказує на ступінь розведення фага. Найчас­тіше використовують фаг у титрі 10~⁴.

Титр фага за Граціа — це кількість часточок фага в 1 см³ матеріалу, що досліджується (наприклад, 32 • 10⁷).

Враховуючи літичну дію фагів на бактерії, їх використовують для лікування різних хвороб травного тракту, запальних хвороб носа, ротової порожнини, верхніх дихальних шляхів, сечостатевої системи, холециститів тощо.

Фаги не токсичні, не мають протипоказань до застосування, побічні реакції не зареєстровані. їх можна використовувати разом із будь-якими іншими лікувальними препаратами, в тому числі й антибіотиками. Можна призначати вагітним жінкам, дітям будь-якого віку, навіть недоношеним. Це дає змогу використовувати фаги не тільки для лікування, а й для профілактики інфекційних захворювань.

Основною умовою успішного використання фага для лікування і профілактики хвороб є перевірка виділеної культури на чутливість до відповідного фага. Препарати фага призначають перорально при захворюваннях внутрішніх органів; у вигляді високої клізми, введення в пазухи та порожнини носа, середнього вуха, черевну, плевральну, сечового міхура, матки, піхви, абсцесу або місцево для оброблення гнійних ран у вигляді зрошування. Дія фага проявляєть­ся через 2—4 год після введення. Фаги легко проникають у кров, лімфу, виводяться через нирки і санують (від лат. вапаНо — лікуван­ня, оздоровлення) сечові шляхи. Найбільше практичне значення для лікування і профілактики мають бактеріофаги: колі-протейний, сальмонельозний, полівалентний дизентерійний, стафілококовий, стрептококовий, полівалентний бактеріофаг клебсієл. Препарати цих фагів випускають у рідкому стані, в таблетках з кислотостійким покриттям, у формі свічок. Вони зберігаються за температури 2—10 °С у сухому, захищеному від світла місці. Після закінчення терміну придатності використання їх неприпустиме.

Фаги використовують для діагностики інфекційних хвороб з ме­тою ідентифікації культури (холерний, чумний фаги).

Фаготипування дає змогу визначити фаговаріант культури, а відтак, встановити джерело інфекції.

За допомогою тест-культури визначають вид невідомого фага, а за реакцією РНТФ — санітарно-епідемічний стан довкілля без ви­ділення культури збудника.

Бактеріофаги непатогенних ешерихій (коліфаги) використову­ють як найбільш ефективний індикатор вірусного забруднення водних об'єктів.

Помірний фаг використовують у науково-дослідних роботах як фактор мінливості мікроорганізмів, а також для вирішення про­блем молекулярної біології, вивчення генетичного коду, росту зло­якісних пухлин, в генній інженерії.

Лізогенні культури більш чутливі до радіації, ніж "здорові", тому їх використовують як детектори радіації. В космічні апарати вміщують лізогенну культуру для контролю надійності захисту від космічного випромінювання: у разі проникнення випромінювання в апарат помірний фаг перетворюється на вірулентний і лізує культу­ру, при цьому мутна бульйонна культура бактерій стає прозорою.

Читайте також:

1. I визначення впливу окремих факторів
2. Аденогіпофіз, його гормони, механізм впливу
3. Аденогіпофіз, його гормони, механізм впливу, прояви гіпер- та гіпофункцій.
4. Адміністративні методи - це сукупність прийомів, впливів, заснованих на використанні об'єктивних організаційних відносин між людьми та загальноорганізаційних принципів управління.
5. Акти правозастосування.
6. Активний вплив на проблему
7. Алергія та анафілаксія, їх практичне значення .
8. Аналіз відхилень від нормативів та їх впливу на прибуток
9. Аналіз впливу постачальників
10. Аналіз впливу факторів на зміну сумми гуртової реалізації
11. Аналіз факторів впливу на обсяги виробництва суспільного продукту.
12. Аналіз факторів, що впливають на цінову політику.

Переглядів: 5154