Что такое бактериофаг лямбда и какова его биология

Опубликовано: 18.05.2024

БАКТЕРИОФАГ ЛЯМБДА КАК МОДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ В ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Бактериофаг лямбда состоит из головки икосаэдрической формы и хвоста. На его конце имеются боковые нити. Имеется белковая оболочка, в состав которой входит около 15 белков. Они кодируются вирусным геномом. Интеграция фага происходит путем генетической рекомбинации на определенном сайте бактериального генома – сайт att λ . Обмен генетической информацией осуществляется с образованием структуры Холлидея и в присутствии двух белков: бактериального IHF и фагового Int, которые, связываясь с определенным сайтом кольцевого генома фага (attP), образуют интрасому (В.Н. Тоцкий, 2002).

Фаг лямбда может развиваться по лизогенному и литическому пути в зависимости от характера взаимодействия клетки-хозяина и вируса. Литический жизненный цикл заключается в производстве новых фаговых частиц и высвобождении вирусного потомства в среду; влечет гибель клетки-хозяина. При лизогенном пути фаговый геном страивается в хромосому E.coli и может передаваться следующим поколениям (М. Пташне, 1988).

Фаг лямбда является одним из наиболее детально изученных живых организмов на Земле. В связи с этим его используют как модельный объект в генетических исследованиях. В генной инженерии данный фаг применяют в качестве вектора для клонирования, так как молекула ДНК бактериофага лямбда имеет участок, не являющийся необходимым для его развития. Поэтому его можно вырезать и заменить любым другим аналогичным по размеру фрагментом ДНК, а затем путем размножения рекомбинантного бактериофага осуществить клонирование. Для создания библиотек генов одними из самых распространенных и являются векторы на основе фага λ.

В связи с тем, что жизненный цикл бактериофага лямбда может идти двумя путями, фагу «приходится делать выбор» в пользу либо лизогенного, либо литического пути. Выбор пути осуществляется на основе простого механизма переключения генов. Это делает бактериофаг удобным объектом для изучения регуляции генной экспрессии (М. Пташне, 1988).

Данный бактериофаг также применяют для лечения некоторых бактериальных заболеваний (холеры, дизентерии) без риска для здоровья. Зачастую препараты бактериофагов заменяют антибиотики, особенно при резистентности бактерий к антибиотикам.

Список использованной литературы:

Пташне М. Переключение генов: Регуляция генной активности и фаг ламбда. — Москва: Мир, 1988

Тоцкий В.Н. Генетика. - 2-е изд. - Одесса: Астропринт, 2002

Lederberg, E. M. Lysogenicity in Escherichia coli strain K-12 // Microbial Genetics Bulletin. — 1950. — Т. 1.

В 1928 году британский бактериолог Александр Флеминг вернулся из отпуска в Шотландии в свою лабораторию в Лондоне и обнаружил, как в одной из чашек Петри бурно разрослась колония плесневых грибов (Penicillium notatum). С выделением пенициллина началась эра антибиотиков.

С тех пор антибиотики спасли миллионы жизней по всей планете. Флеминг также обнаружил, что бактерии обладали устойчивостью к антибиотикам, если действовали малым количеством пенициллина, либо если антибиотик употреблялся слишком короткое время.

Алмрот Райт предсказал устойчивость к антибиотикам еще до того, когда это было обнаружено экспериментально. Бактериальная резистентность — явление естественное по своей природе, а потому неизбежное.

Вот уже более десятка лет Всемирная организация здравоохранения, Центр по контролю заболеваний в США, многие крупные эксперты в России открыто признают, что мы вступили в так называемую пост антибиотиковую эру.

Например, в 2015 году в Китае была выявлена бактерия с новой мутацией в генах MCR-1, устойчивая к наиболее важному антибиотику в медицине - колистину, применяемому лишь в крайних случаях. Скорее всего, она появилась после того, как препарат начали активно использовать на животноводческих фермах. Ничего не мешает ей распространяться по миру и увеличивать спектр неизлечимых инфекций.

В 2016 году в США зафиксирован случай заражения человека одной из разновидностей энтеробактерий. Штамп оказался устойчивым к воздействию тетрациклина, колистина, ко всем до единого из 26 видов антибиотиков, представленных на рынке. Женщину так и не удалось спасти.

Ученые по всему миру продолжают изучать явление резистентности в надежде минимизировать угрозы. Однако одной из самых подходящих альтернатив можно назвать препараты (комбинированные или моно) на основе бактериофагов.

Бактериофаги являются важнейшим компонентом нашей продукции и помогают при профилактике бактериальных заболеваний и борьбе с ними. Название звучит непривычно и немного непонятно. На самом деле, с бактериофагами люди знакомы уже более ста лет.

Бактериофаг в переводе с греческого означает «пожиратель бактерий». Не самое доброе «существо», но в действительности никто никого не пожирает. Бактериофаги — это природные агенты, которые естественным образом ограничивают размножение бактерий. Они способны избирательно устранять только те бактерии, которым они соответствуют, при этом не повреждая нормофлору или человеческие клетки.

Они являются самым распространенным биологическим объектом на Земле.

Бактериальные вирусы были открыты дважды: в 1915 году Фредериком Уильямом Туортом и в 1917 году Феликсом Д'Эреллем, который и предложил термин «бактериофаг».

Второе открытие было сделано во время исследования вспышки дизентерии среди французских солдат во время Первой мировой войны. При изучении лизиса (разрушения клетки под действием собственных или чужеродных ферментов) бактериальных культур.

Ученый обратил внимание, что какое-то существо, невидимое в обычный микроскоп, разрушает выращенные им культуры бактерий. Микробиологу удалось настроить его размножение: бактерии, зараженные им, погибали, а количество агента увеличивалось.

В 1919 году ученый успешно вылечил бактериофагами первых пациентов. Он описал случай успешного лечения дизентерии с использованием фагов, доказав, что они обеспечивают выздоровление больного организма. Были проведены и первые опыты по применению фагов при раневых инфекциях, холере, тифе и даже бубонной чуме. Успех выглядел вполне убедительно.

После открытия бактериофаги начали использовать для борьбы с бактериальными патогенами. Однако в Западной Европе и США от такой терапии вскоре отказались из-за сомнительных результатов. Это было неудивительно, принимая во внимание тогдашний уровень понимания биологии бактериофагов и отсутствие стандартизации. А открытие в 1928 году пенициллина и последовавшая за этим событием «эра антибиотиков» надолго отодвинули интерес к профилактическому и медицинскому использованию бактериофагов.

Хотя в государствах Восточной Европы, таких как СССР, применение бактериофагов в терапии продолжилось, чему способствовало основание в 1934 году Института Бактериофага в Тбилиси Георгием Элиавой совместно с Феликсом Д'Эреллем.

В мире интерес к фаговой терапии возобновился только в 1980-е годы, когда эффективность лечения антибиотиками значительно снизилась, а бактерии стали более устойчивы к лекарствам. Сейчас исследования в этой области активно ведутся по всему миру.

о ткрытие пенициллина – первого антибиотика природного происхождения, воспринималось поначалу как шанс раз и навсегда победить инфекционные заболевания, уносившие миллионы жизней. Однако во второй половине прошлого века первоначальная эйфория пошла на убыль: выяснилось, что бактерии благодаря мутациям могут приобретать устойчивость к любому антибиотику и даже обмениваться между собой этими генами. Так началась «гонка вооружений» человека и бактерий.

Между препаратами бактериофагов и химическими антибиотиками существует принципиальное различие: антибиотик, в отличие от фагового препарата, убивает всё на своем пути, включая содружество полезных микроскопических обитателей организма.

Cовместная эволюция бактерий и фагов за последние 3 миллиарда лет привела к тому, что практически для любой болезнетворной бактерии имеется соответствующий вирус-«убийца».

В отличие от обычных антибиотиков, бактериофаги модифицируют свои генетические программы сами, что снимает проблему устойчивости. Результат – высокая избирательность: конкретный бактериофаг обычно эффективен в отношении лишь одного определенного бактериального вида или даже штамма бактерий.

Действие бактериофагов

Очень важным является то, что бактериофаги не трогают не «свои» бактерии, поэтому не вызывают гибель «хорошей» микрофлоры и, конечно, абсолютно безопасны для клеток высших организмов, включая человека.

При фаготерапии отсутствуют побочные эффекты, такие как аллергия, дисбактериоз, вторичные инфекции (например, грибковые), что нередко наблюдается при приеме антибиотиков. Бактериофаги могут применяться в комбинированной терапии с любыми лекарственными препаратами, включая антибиотики.

Препараты бактериофагов представляют собой раствор, используют их либо местно (например, на кожу или слизистые), либо принимают внутрь. В организме бактериофаги концентрируются в местах наибольшего поражения и размножаются до тех пор, пока находят бактерии-«мишени». После того, как бактерии-«мишени» закончились, фаги выводятся из организма.

С помощью бактериофагов лечат:

Инфекции мочеполовой системы

Инфекции органов дыхания

Инфекции желудочно-кишечного тракта

Ожоговые и раневые инфекции

Трофические язвы

Остеомиелит

В идеальном случае перед началом лечения у конкретного больного следует выделить болезнетворную бактерию в культуру и подобрать бактериофаг из «коллекции» уже известных бактериальных вирусов.

Препараты бактериофагов трудно поддаются стандартизации из-за специфики производства - даже опытный специалист не всегда может заранее предсказать эффективность того или иного препарата у конкретного пациента, так как разные бактериальные штаммы бактерий могут вызывать схожие проявления болезни. Выход – производство «коктейлей» из фагов, способных убивать разные штаммы и даже виды возбудителей. И такие препараты уже существуют: пиобактериофаги поливалентные или комплексные.

Обзор

Герой января: фаг лямбда

Автор

Редакторы

Биология
Биотехнологии
Вирусология
Генетика

Неутомимо начнем Новый год с фага лямбда. Еще не успеют степлиться последние капли недопитого шампанского на кухне — а фаг уже с вами. И, когда вы ближе к вечеру откроете телефон или комп, фаг уже будет смотреть на вас своими голубыми-голубыми глазами. Стоп, какие еще глаза у фага?! Может, и никаких — всё это было для привлечения внимания к нашей первой публикации в цикле о модельных организмах. Вперед!

Двенадцать модельных организмов

Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!

Беглый молекулярный каскад — Лизис и лизогения — Самый первый геном — Эстер Ледерберг — Стимпанк — Вирус кишечной палочки

Свой рассказ я начинаю с вируса. Вирус, как говорят учебники, это простейшая форма жизни. А живой ли он? Есть обоснованное мнение, что вирус получает свойства живого, «оживает», только когда попадает внутрь клетки. Действительно, размножение этого внутриклеточного паразита возможно только внутри клетки, где он использует клеточные ресурсы. На мой взгляд, более точно вирус можно назвать не организмом, а странствующим молекулярным каскадом.

А раз вирус такой примитивный, он, что, самый эволюционно древний в нашем списке? Скорее всего, нет, поскольку не способные к самостоятельной жизни вирусы возникли вторично как паразиты бактерий. Как известно любому молекулярному биологу, геном бактериальных клеток можно изменить, грубо говоря, добавив в среду с клетками ничем не приправленные куски ДНК. Этот метод назвали трансформацией. Путешествующие (правда, с низкой эффективностью) из клетки в клетку куски ДНК в какой-то момент научились носить с собой — в виде геномного кода и реальной белковой оболочки — молекулярный каскад для собственного воспроизводства. Процесс передачи генетического материала с помощью такой конструкции назвали специальным термином — «трансдукция».

Фаг λ (лямбда) и его открытие связаны с другим модельным организмом из нашего бестиария: он паразитирует на энтеробактерии — кишечной палочке Escherichia coli. Именно поэтому его точное биологическое название — вирус лямбда эшерихии. В самом начале наблюдений за никак не охарактеризованным тогда патогенным агентом бактерий выяснили, что он может действовать на клетки бактерии двояко. В одних случаях, попав в них, вирус быстро размножается и выходит наружу в виде частиц, разрушая клетки. Эту реакцию назвали литической, а сам процесс — лизисом. В других ситуациях вирус как будто куда-то исчезал без видимого вреда для клеток. На самом деле его крошечный геном из линейной двухцепочечной ДНК встраивался в специальное место в геноме бактерии, где и таился в виде профага до неблагоприятной ситуации. Такое поведение назвали лизогенией. Если бы всякое нападение вируса заканчивалось лизисом, клетки-мишени бы, наверное, вымерли, а за ними — и сам паразит.

Благодаря лизогении удалось изучить важные механизмы генетической рекомбинации . Всё, что делают вирусы с клетками, украдено у самих клеток. Ведь вирусы — это беглые клеточные молекулярные каскады. Поэтому данные, полученные на вирусах, как правило, пригождаются для всей клеточной науки. Маленький, но информационно насыщенный геном фага лямбда длиной всего около 50 тысяч нуклеотидных пар был первым самостоятельным геномом, полную последовательность которого определил человек. Этот геном не был секвенирован целенаправленно в промышленном стиле, как это делается сейчас [1], а скорее, компилирован из большого количества работ по генетике фага. Подробная карта генома была представлена в 1983 году [2].

Как читатель уже, должно быть, понял, огромный пласт молекулярной биологии открыли на вирусах. Но нельзя же про всё это рассказать в одной небольшой заметке. Поэтому за наглядными, но поучительными началами молекулярной биологии мы направляем вас к нашему одноименному иллюстрированному материалу [3]. — Ред.

Вначале бактериофаги изучали как минимальную действующую молекулярную модель, просто потому что с ней могли иметь дело методы того времени. Сегодня интерес к ним подпитывается многими общественно значимыми направлениями науки и техники. Например, ставший сейчас притчей во языцех молекулярный каскад, пригодный для редактирования геномов — CRISPR-Cas, — возник в бактериях в качестве системы адаптивного иммунитета. Он призван природой резать ДНК напавших на клетку бактериофагов, а вовсе не геномы подопытных существ под твердой рукой демиурга. Бактериофаги также исследуются на предмет борьбы с бактериями, патогенными для человека и животных. Сегодня серьезной проблемой стала устойчивость бактериальных штаммов, циркулирующих в населенных человеком местах, к большинству групп антибиотиков [4]. Лечение бактериофагами всерьез рассматривают как альтернативу химиотерапии устойчивых к антибиотикам бактериальных инфекций. Неспецифические штаммы бактериофагов использовали в советской медицине еще с середины прошлого века. Сейчас, несмотря на некоторый скептицизм в этой области [5], наблюдается взрыв интереса к препаратам на основе бактериофагов, которые проходят клинические испытания по современным принципам доказательной медицины [6]. Одно из таких испытаний совсем недавно привело к излечению тяжелой микобактериальной инфекции у подростка с муковисцидозом [10]. Отмечу, что сегодня фаговая терапия становится персонализированной, когда состав препарата подбирают или конструируют, зная особенности возбудителя инфекции у каждого конкретного пациента.

Эстер у моря

Бактериофаг лямбда открыла в 1950 году Эстер Ледерберг в одной из линий кишечной палочки, будучи аспиранткой Университета Висконсина [7]. Биография этой исследовательницы очень примечательна и достаточно необычна для того времени. Воспитанная в религиозной еврейской семье в Нью-Йорке, она проявила необычайные способности в молекулярной биологии и смогла получить позиции в престижных исследовательских центрах, несмотря на связанную с сексизмом предвзятость к женщинам в науке того времени. Читая о ней, я вспомнил интересное место, в котором она готовила свою магистерскую работу, — живописную Морскую станцию Хопкинса Стэнфордского университета (рис. 1). В городе Монтеррей эта станция граничит с набережной, с которой можно наблюдать за каланами и морскими слонами. Сейчас эти престижные и дорогие для жизни места служат декорацией к сериалу «Большая маленькая ложь». Правда, во времена Ледерберг, тогда еще Циммер, обстановка в Монтеррее была другой, и ее прекрасно описал Джон Стейнбек в своей книге «Консервный ряд».

Рисунок 1. Морская станция Хопкинса в Монтеррее (Калифорния), где Эстер Циммер (позже — Ледерберг) готовилась к своим знаменитым работам по мутагенезу кишечной палочки, в ходе которых открыла бактериофаг лямбда.

Частица бактериофага элегантно сконструирована, несмотря на скромный набор составных элементов: геном вируса лямбда кодирует всего 12–14 отдельных белков. Фаг напоминает футуристического робота или, наоборот, деталь старинного механизма. Неслучайно частица бактериофага вдохновляет художников и дизайнеров в стиле стимпанк, которые охотно используют мотивы этого вируса в своих картинах и принтах (рис. 2).

Рисунок 2. Бактериофаг в стиле стимпанк. Для точности заметим, что прототипом для него, похоже, был не фаг лямбда.

Вернусь к основной теме нашего рассказа. Почему именно фаг лямбда считается модельным (рис. 3)? Ведь биосферу, по оценкам, населяют десятки миллионов разных видов бактериофагов общей численностью 10 31 экземпляров [8]. Всё просто — это же вирус эшерихии, то есть кишечной палочки. Именно она на момент его открытия утвердилась в качестве главной модельной бактерии. И поражающий ее фаг автоматически стал модельным. Не стоит при этом думать, что это единственный модельный бактериофаг. Например, другой вирус эшерихии, T4, использовался в знаменитой работе Крика и соавторов, где они доказали триплетный характер генетического кода [9].

Поговорили о вирусе, а вначале-то, наверное, надо было узнать больше о том, кого он заражает? Ведь вирус вторичен, а клетка первична. Но ничего, терпеть осталось недолго. Следующая статья спецпроекта выйдет через месяц и как раз и расскажет о кишечной палочке — хозяйке бактериофага лямбда.

Рисунок 3. Бактериофаг лямбда как герой календаря «Биомолекулы». Этот календарь мы сделали в 2019 году и даже провели на него весьма успешный краудфандинг. На тех, кто успел приобрести календарь, фаг уже взирает со стенки, ну а с прочими мы делимся хайрезом этого листа — скачивайте, печатайте и вешайте на стенку! Ну а кто все же хочет приобрести бумажный экземпляр — приглашаем в интернет-магазин «Планеты.ру»!

БАКТЕРИОФАГИ КАК АЛЬТЕРНАТИВА АНТИБИОТИКАМ В ЛЕЧЕНИИ ИНФЕКЦИЙ

Бактериофаги — вирусы бактерий, естественные микроорганизмы, которые, размножаясь внутри бактериальной клетки, ведут к ее быстрой гибели.

Из истории открытия

В 1896 году английский бактериолог Э. Ханкин, исследуя антибактериальное действие воды индийских рек, пришел к выводу о существовании агента, проходящего через бактериальные фильтры и вызывающего лизис холерных вибрионов. Российский микробиолог Н. Ф. Гамалея в 1897 году наблюдал лизис бацилл сибирской язвы. Однако первой научной публикацией о фагах стала статья английского микробиолога Ф. Туорта, в которой он в 1915 году описал инфекционное поражение стафилококков, значительно изменявшее морфологию колоний. В 1917 году канадский бактериолог Ф. Д’Эрелль независимо от Туорта сообщил об открытии вируса, «пожирающего» бактерии — бактериофага.

Интересный факт: при нанесении бактериофага на влажные слизистые он за 20 минут очищает их от определенного вида бактерий, например от стафилококка. Так быстро не работает ни один антибиотик.

Действие бактериофагов отличается от действия антибиотиков:

Для определенного вида бактерий существует свой определенный бактериофаг. Но стоит отметить, что не ко всем бактериям есть бактериофаги (это основной недостаток этих препаратов). Для решения вопроса, какую терапию выбрать для лечения инфекции, врач должен сначала взять материал для посева на флору с точным определением вида возбудителя и только после получения анализа на чувствительность микроорганизма к бактериофагам выбрать препарат.
Бактериофаги не действуют на нормофлору (нормальные бактерии), поэтому лечение бактериофагами экологично и не требует коррекции нормофлоры.
Бактериофаги не влияют на организм человека, поскольку не способны проникнуть в клетки человека. Поэтому бактериофаги не токсичны и не вызывают побочных эффектов.
После уничтожения патогена элиминируются (самовыводятся) из организма.
Бактериофаги просты в применении: большинство их производится в жидком виде. Доступно наружное орошение при местном применении, полоскании, в виде микроклизм при кишечных инфекциях. Но действуют бактериофаги только местно, то есть именно там, где вы их применяете при полоскании, орошении и закапывании. В отличие от антибиотиков, которые при приеме внутрь распределяются по организму и действуют во всех органах и тканях.
Бактериофаги стимулируют местный иммунитет, так как частицы уничтоженных бактерий побуждают иммунную систему к выработке специфических антител. Из-за этого свойства бактериофаги являются препаратом выбора в лечении бактерионосительства (например, стафилококконосительства) и хронических форм бактериальных инфекций.
Сочетаются с другими препаратами, в том числе с антибиотиками. Их совместное применение ведет к быстрому выздоровлению от бактериальной инфекции.
По совокупности описанных свойств бактериофаги применимы как основной препарат для лечения бактериальных инфекций у беременных, детей с рождения и людей пожилого возраста, а также в тех случаях, когда имеется полирезистентность микроорганизма к антибиотикам.

В лаборатории KDL предлагается 2 варианта посевов на флору с определением чувствительности выделенной культуры микроорганизма к препаратам бактериофагов и разным наборам антибиотиков в зависимости от ситуации пациента (выбирает врач), например:

Какие инфекции можно лечить бактериофагами:

кожные, ожоговые и раневые инфекции;
инфекции ЛОР органов;
инфекции урогенитального тракта;
отдельные инфекции желудочно-кишечного тракта.

Возбудителями этих инфекций могут быть такие бактерии, как золотистый стафилококк, синегнойная палочка, патогенные формы кишечной палочки, сальмонеллы, стрептококки.

В Новосибирском научном центре технологии персонализированного лечения бактериофагами в большой коллекции бактериофагов есть уникальные штаммы, способные бороться с недавно появившимися и уже получившими широкое распространение возбудителями больничных инфекций, такими как грамотрицательные бактерии Acinetobacter baumanii, Stenotrophomonas maltophilia и др.

Последние годы ознаменовались широкими исследованиями бактериофагов из-за нарастающей проблемы антибиотикорезистентности микроорганизмов, которые находят всё новые применения не только в терапии и профилактике, но и в биотехнологиях. Их очевидным практическим результатом должно стать возникновение нового мощного направления персонализированной медицины, а также создание целого спектра технологий в пищевой промышленности, ветеринарии, сельском хозяйстве и в производстве современных материалов. Мы ждем, что второе столетие исследований бактериофагов принесет не меньше открытий, чем первое.

Читайте также: