Что такое бактериофаг?

Бактериофаги – революционное решение и альтернатива антибиотикам при лечении бактериальных инфекций.

Бактериофаги: что это такое и как они работают

Бактериофаги, или как их еще называют фаги – это вирусы, поражающие бактерии. Название этих микроорганизмов происходит от греческих слов βακτήριον – «палочка» и -φάγος – «поедатель». Благодаря своей способности уничтожать бактерии бактериофаги нашли применение в медицине: их активно используют для борьбы с бактериальными инфекциями, особенно устойчивыми к антибиотикам.

История открытия бактериофагов

История этого революционного открытия началась с наблюдений, сделанных в начале XX века, когда биологи стали изучать возможные причины гибели бактерий. В 1915 году британский бактериолог Фредерик Туорт обнаружил, что в колониях бактерий появляются прозрачные участки – зоны разрушения. Он предположил, что причиной этого может быть либо вирус, либо особый фермент. Однако продолжить исследования ученый не смог из-за нехватки финансирования и тягот Первой мировой войны.

Независимо от Туорта в 1917 году канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль, работая в Институте Пастера во Франции, тоже заметил подобное явление. Он изучал инфекционные заболевания и обратил внимание, что в жидкостях, содержащих кишечные бактерии, со временем исчезают живые микроорганизмы. Проведя эксперименты, Д’Эрелль установил, что это происходит из-за действия особых вирусов, которые заражают и уничтожают бактерии. С легкой руки Д’Эрелля также закрепился термин «бактериофаг».

Д’Эрелль не только описал свойства бактериофагов, но и предложил использовать их для лечения инфекций. Он успешно испытал фаговую терапию, в частности, работая с пациентами, страдающими бактериальной дизентерией. Успех Д'Эрелля заложил фундамент для нового направления в биологии и медицине. Однако с появлением антибиотиков развитие фаговой терапии приостановилось. Но в настоящее время, когда медики столкнулись с феноменом антибиотикорезистентности – иными словами, они обнаружили, что бактерии со временем вырабатывают иммунитет к антибиотикам, которые ранее были действенны против них – интерес к бактериофагам снова набирает обороты.

Строение и классификация бактериофагов

Бактериофаги имеют простое, но эффективное строение, адаптированное для заражения бактерий. Они состоят из генетического материала – ДНК или РНК, окруженной белковой оболочкой, называемой капсидом. У некоторых фагов есть хвостовая структура, которая позволяет им прикрепляться к поверхности бактерии и вводить генетический материал внутрь клетки.

Классификация бактериофагов основывается на типе их генетического материала, форме, строении и механизме взаимодействия с бактериями. В зависимости от формы принято различать икосаэдрические фаги – с многогранной головкой, нитевидные и сложные – снабженные и головкой, и хвостом. Выделяют также лизогенные фаги – они способны интегрировать свой геном в ДНК бактерии – и литические фаги, полностью разрушающие клетку хозяина после репликации – удвоения молекулы ДНК. За счет таких особенностей бактериофаги могут служить эффективным инструментом в борьбе с бактериальными инфекциями, а также при изучении жизнедеятельности микробов.

Жизненный цикл бактериофагов

Жизненный цикл бактериофагов включает несколько последовательных этапов.

• Первый этап – адсорбция: фаг распознает специфические рецепторы на поверхности бактериальной клетки и прикрепляется к ним.

• Затем происходит инъекция: хвостовая часть фага проникает через клеточную стенку, вводя свой генетический материал внутрь бактерии.
• Следующий этап – экспрессия генов. Вирусный геном захватывает контроль над метаболическими процессами клетки, перенаправляя ее ресурсы на синтез вирусных компонентов – ДНК или РНК, белков капсида и хвоста.
• Далее наступает этап сборки, в ходе которого вирусные частицы самостоятельно собираются внутри клетки.
• В конце жизненного цикла, на этапе лизиса, бактериальная клетка разрушается, высвобождая сотни новых бактериофагов, готовых заразить соседние бактерии.

Для некоторых фагов возможен альтернативный путь – лизогенный цикл, при котором генетический материал вируса интегрируется в ДНК бактерии и остается в неактивной форме, передаваясь потомкам бактерии при ее делении. Этот латентный период может продолжаться до тех пор, пока не активируются механизмы, переводящие вирус в литический цикл. Кстати, благодаря такой гибкости жизненного цикла бактериофаги могут выступать эффективным инструментом для изучения молекулярных процессов.

Специфичность бактериофагов и их роль в биосфере

Каждый бактериофаг способен заражать лишь определенные виды или даже штаммы бактерий. Такая особенность обусловлена тем, что на поверхности фага присутствуют белки-рецепторы, которые могут «распознавать» молекулы на клеточной стенке бактерии. Из-за «узконаправленности» своего действия бактериофаги безопасны для прочих микроорганизмов, помимо тех штаммов бактерий, которыми они питаются, и также они безвредны для растений, животных и человека – это чрезвычайно важно для их применения в медицине и биотехнологиях.

Роль бактериофагов в поддержании баланса биосферы сложно переоценить: они регулируют численность бактерий в природных экосистемах, предотвращая их чрезмерное размножение. Ежедневно фаги уничтожают до 40% бактериальной биомассы в океанах, оказывая заметное влияние на круговорот углерода и других элементов. Кроме того, фаги участвуют в горизонтальном переносе генов между бактериями, способствуя их эволюции и адаптации. Такая генетическая динамика влияет на биоразнообразие и устойчивость экосистем.

Бактериофаги также рассматриваются как экологически чистый инструмент для борьбы с патогенными бактериями не только в клинической практике, но и в других сферах человеческой жизнедеятельности. Например, в сельском хозяйстве их применяют в борьбе с фитопатогенами, вызывающими бактериальный ожог плодовых деревьев; в этом плане они служат безопасной альтернативой химическим пестицидам. А в пищевой промышленности бактериофаги используются для очистки молочных и мясных продуктов от опасных патогенов, и такой метод позволяет понизить риск опасных заражений без изменения вкусовых качеств пищи и без использования агрессивных химикатов. Наконец, бактериофаги находят перспективное применение в системах очистки питьевой воды и сточных вод.

Методы выделения бактериофагов

Выделение бактериофагов из природных объектов – из почвы, воды или биологических жидкостей – проводится с использованием специальных методов, направленных на их концентрацию и отделение от бактерий и других частиц.

Прежде всего проводится фильтрация: образцы очищают от крупных частиц и клеточных остатков с помощью фильтров с порами размером 0,22–0,45 мкм, через которые проходят только вирусные частицы. Затем проводится обогащение, на этапе которого к фильтрату добавляют специфическую бактериальную культуру – потенциального хозяина фагов. После этого фаги начинают размножаться, вызывая лизис бактерий.

Для подтверждения наличия бактериофагов в пробе применяют метод пятен лизиса: смесь фагов и бактерий высевают на питательную среду из агар-агара - растительного желатина, получаемого из водорослей. Через несколько часов на плотной поверхности среды образуются прозрачные зоны – пятна лизиса, свидетельствующие о разрушении бактерий. Также для концентрации бактериофагов используются методы ультрацентрифугирования и осаждения, например, с использованием полиэтиленгликоля. После выделения фаги можно очистить и изучить их свойства с помощью электронного микроскопа, молекулярных и биохимических методов.

Применение бактериофагов в медицине

Благодаря способности избирательно уничтожать патогенные бактерии, не затрагивая полезную микрофлору и клетки человека, бактериофаги находят широкое применение в медицине. Одна из ключевых областей их использования – фаговая терапия, особенно актуальная для лечения инфекций, вызванных антибиотикорезистентными бактериями.

Бактериофаги подтвердили свою высокую эффективность при лечении гнойных ран, сепсиса, пневмонии, инфекций мочевыводящих путей и желудочно-кишечного тракта. Фаги могут вводиться в организм перорально, местно (например, в виде мазей) или инъекционно, в зависимости от характера инфекции.

Кроме того, бактериофаги используются в диагностике, например, для выявления конкретных патогенных штаммов бактерий. В стоматологии фаги применяют для профилактики и лечения кариеса и пародонтита. Современные разработки в области генетической инженерии позволили создавать искусственные фаги с повышенной эффективностью и устойчивостью.

Преимущества бактериофагов по сравнению с антибиотиками

Бактериофаги обладают рядом преимуществ по сравнению с антибиотиками, что делает их перспективным средством борьбы с бактериальными инфекциями. Прежде всего фаги отличаются высокой специфичностью: они поражают только определенные виды, или штаммы, бактерий, не затрагивая полезную микрофлору организма, тогда как антибиотики уничтожают широкий спектр бактерий, включая те, которые необходимы для нормального функционирования организма. Кроме того, бактериофаги эффективны против бактерий, устойчивых к антибиотикам, что особенно важно в условиях глобальной проблемы антибиотикорезистентности.

Еще одно преимущество – их способность самовоспроизводиться в присутствии целевых бактерий, что снижает необходимую дозировку и делает лечение экономически выгодным. В отличие от антибиотиков фаги не вызывают тяжелых побочных эффектов, таких как аллергии или токсическое воздействие на органы. Более того, при правильном подборе фаги не приводят к развитию перекрестной резистентности, характерной для антибиотиков. Все эти свойства делают бактериофаги безопасным, эффективным и экологически чистым инструментом для борьбы с инфекциями.

Недостатки и ограничения использования бактериофагов

Несмотря на множество преимуществ, использование бактериофагов в медицине имеет также ряд ограничений и недостатков. Один из главных недостатков представляет высокая специфичность фагов: для эффективного лечения необходимо точно подобрать фаг, который будет действовать на конкретный штамм бактерии. Поэтому при лечении инфекций универсальность метода требуется индивидуальный подход.

Кроме того, в некоторых случаях может возникнуть развитие резистентности самих бактерий к фагам. Впрочем, этот процесс происходит гораздо медленнее, чем в случае с антибиотиками.

Еще одной проблемой является возможное наличие фагов, способных вызвать иммунный ответ у пациента. Это особенно важно при многократных курсах фаговой терапии, так как иммунная система может начать распознавать фаги как чуждые объекты и стремиться их нейтрализовать. В некоторых случаях фаги могут быть нестабильными или терять активность при хранении или транспортировке, что ограничивает их использование в массовом масштабе. Наконец, для применения фагов в медицинской практике требуется создание специальных препаратов и разработка технологий для их безопасного и эффективного использования – в перспективе это означает, что лечение станет более дорогостоящим.

Инфекции, которые можно лечить бактериофагами

Фаги активно применяются для лечения инфекций, вызванных устойчивыми штаммами, которые не поддаются стандартной антибиотикотерапии. Например, фаги используются в борьбе с инфекциями, вызванными метициллин-резистентным стафилококком, который является причиной тяжелых госпитальных инфекций. В хирургии они задействуются при профилактике и лечении инфекций, возникающих после операций. Их также активно применяют в стоматологии: есть бактериофаги, специфичные к бактериям, вызывающим кариес и воспаление десен. Таким образом, бактериофаги могут быть использованы в самых различных областях медицины, предоставляя альтернативу или дополнение к традиционным антибиотикам, особенно в случаях, когда последние оказываются неэффективными.

Будущее бактериофагов в лечении инфекционных заболеваний

С развитием генетической инженерии и биотехнологий стало возможным создание фагов с улучшенными свойствами, такими как высокая стабильность, расширенный спектр действия и способность преодолевать защитные механизмы бактерий. В будущем бактериофаги могут стать важной частью комплексного подхода к лечению инфекций.

Очень вероятно, что в будущем фаги будут использоваться в качестве таргетных терапевтических агентов, сочетаясь с антибиотиками в рамках комбинированной терапии для усиления эффекта и предотвращения развития резистентности. Разработка фагов, которые могут работать не только с одной бактериальной инфекцией, а с несколькими патогенами одновременно, откроет новые возможности для лечения полимикробных инфекций.

Кроме того, бактериофаги могут быть использованы в персонализированной медицине, где для каждого пациента подбирается свой фаговый препарат, исходя из индивидуальных особенностей заболевания. В сочетании с новыми методами генетического анализа фаги могут стать мощным инструментом в борьбе с опасными инфекциями.

Топ - 4 интересных факта о бактериофагах

1. На Земле существуют миллиарды бактериофагов. Согласно некоторым оценкам, в океанах Земли содержится около 10³¹ бактериофагов, что в несколько раз превышает количество всех других живых существ на планете.
2. Эти микроорганизмы могут воздействовать на конкретные штаммы бактерий – их высокая специфичность позволяет выбирать фаги, которые эффективно уничтожают только определенные виды или даже штаммы бактерий.
3. Они способны к самовоспроизведению в присутствии целевых бактерий, что делает их лечение более экономически выгодным, так как со временем количество фагов увеличивается.
4. Фаги участвуют в эволюции бактерий, способствуя горизонтальному переносу генов между бактериями и, как следствие, их эволюции и развитию новых устойчивых штаммов.

***

Бактериофаги представляют собой перспективную альтернативу антибиотикам в лечении бактериальных инфекций. Эти вирусы, специфичные для бактерий, обладают способностью эффективно уничтожать патогенные микроорганизмы без воздействия на полезную флору человека. С развитием научных технологий и биоинженерии фаги могут стать важным инструментом в медицине, предлагая новые подходы к лечению устойчивых инфекций и обеспечивая более безопасные методы борьбы с бактериями.

Изображение на обложке: Freepik