Бактериофаги

Бактериофа́ги, или фа́ги (от др.-греч. φᾰ́γω — «пожираю»), — вирусы, заражающие бактериальные клетки. Ранее бактериофагами называли и вирусы архей, однако в настоящее время этот термин принято относить исключительно к бактериальным вирусам. Бактериофаги, как и любые иные вирусы, размножаются внутри клетки хозяина. Высвобождение потомства большинства бактериофагов происходит путём лизиса инфицированной бактериальной клетки, однако при размножении бактериофагов некоторых групп, например, нитчатых фагов, выход вирусных частиц происходит без разрушения клетки, которая сохраняет свою жизнеспособность. Вирусная частица или вирион бактериофага состоит из оболочки, как правило белковой, и генетического материала — одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК). Общая численность бактериофагов в большинстве природных местообитаний примерно равна численности бактерий или превышает ее в 2—10 раз, при этом общее количество фаговых частиц в биосфере Земли составляет 10³⁰—10³² частиц^[1]. Бактериофаги активно участвуют в круговороте химических веществ и энергии, оказывают заметное влияние на состав, динамику и активность микробных сообществ, влияют на эволюцию микробов, на их взаимодействия между собой и с многоклеточными организмами и даже участвуют в контроле экспрессии собственных генов микроорганизмов^[1][2]. У бактерий существует также большое число генетических элементов и кодируемых ими молекулярных структур, имеющих общее происхождение с бактериофагами, «приспособленных» микробами для тех или иных собственных нужд: дефектные профаги, бактериоцины типов R и F, AFP-профаги (от англ. antifeeding prophage — профаги, препятствующие питанию), системы секреции VI типа (T6SS), сократимые системы, ассоциированные с метаморфозом (MAC), агенты переноса генов (GTA — gene tranfer agents) и другие^[2]. Бактериофаги, а также антивирусные (противофаговые) системы бактерий послужили источником большей части инструментария современной генетической инженерии и ряда других технологий^[2].

Группа вирусов
Структура типичного миовируса бактериофага.
Название
Бактериофаги
Статус названия
не определён
Родительский таксон
Домен Вирусы
Представители
Все вирусы, поражающие бактерий
Медиафайлы на Викискладе
Бактериофаги в Викисловаре

История

К концу XIX столетия микробиология была достаточно развитой наукой, в которой активно работало значительное число исследователей, а также практических специалистов-бактериологов, занятых в клинике и на некоторых производствах. Более того, к началу XX века вирусы (по тогдашней терминологии фильтрующиеся вирусы) уже были известны: в 1892 году Дмитрием Ивановским был открыт вирус табачной мозаики, а в 1898 году Фридрихом Лёфлером и Паулем Фрошем был описан вирус ящура. С высокой долей вероятности многие исследователи встречались с явлением бактериофагии. Известно несколько десятков статей, вышедших до 1915 года, которые сообщают об эффектах, сходных с бактериофагией^[3], среди которых можно упомянуть работу Н. Ф. Гамалеи, наблюдавшего в 1897 году явление лизиса бактерий (сибиреязвенной палочки) под влиянием перевиваемого агента^[3][4]. В 1915 году английский микробиолог Фредерик Туорт описал так называемое стекловидное перерождение колоний стафилококков, возбудитель которого проходил через фарфоровые бактериальные фильтры, и его можно было переносить от одной колонии к другой. Туорт охарактеризовал этот агент как вирус, заражающий бактерии и даже выдвинул предположение о возможном эволюционном происхождении вирусов из доклеточных форм жизни^[4][5].

Независимо от Фредерика Туорта франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрелль сообщил в 1917 году об открытии вируса возбудителя дизентерии, который он назвал бактериофагом^[4][6]. Важнейшим достижением д’Эрелля была верная интерпретация стерильных пятен (бляшек), образующихся в сплошном слое бактериального роста на плотной среде (так называемом газоне) под действием разбавленной суспензии фага как индивидуальных негативных колоний бактериофага. Д’Эрелль сделал верное заключение, что в большинстве случаев бляшка формируется из отдельной фаговой частицы, что приводило, во-первых, к заключению о корпускулярной природе фага (в противоположность гипотезе о растворимом токсине, имеющем минимальную действующую концентрацию), а во-вторых дало возможность практического измерения концентрации активных фаговых частиц (или, точнее, бляшкообразующих единиц) в суспензиях. Возможность простой визуализации фагов и определения их концентрации методом посева сыграла ключевую роль в дальнейших исследованиях природы бактериофагов.

После открытия явлений бактериофагии д’Эрелль развил учение о том, что бактериофаги, обитающие в кишечнике человека и животных, способны адаптироваться к размножению на патогенных бактериях, и играют ключевую роль в естественном иммунитете, обеспечивая выздоровление больного организма даже в большей степени, чем известные в то время клеточные и гуморальные факторы иммунитета^[7][8][4]. Это положение привлекло к напряженному научному противостоянию д’Эрелля и его сторонников с Жюлем Борде и его школой, которые пытались доказать, что бактериофагия не является результатом действия специфического паразита, но возникает в результате внутреннего «физиологического дисбаланса» бактерий^[4][8]. Это противостояние хотя и привлекло к проблеме бактериофагии внимание ряда ученых, несколько задержало широкое признание взглядов д’Эрелля на бактериофаг как на ультрамикроскопический организм. Окончательно эти споры были разрешены только благодаря применению электронного микроскопа, которое в начале 1940-х позволило напрямую наблюдать вирионы бактериофагов^[4].

Тем не менее, уже в 1922 году немецкий генетик Герман Мёллер, опираясь на результаты д’Эрелля и сотрудника Ж. Борде Андре Грациа сделал предположение, что «тельца д’Эрелля» (бактериофаги) представляют собой гены, способные к передаче (выражаясь современным языком, предположил, что бактериофаги являются трансмиссивной генетической программой), что, по мнению Мёллера, позволяло «атаковать проблему гена под совершенно новым углом» и давало надежду, что генетики скоро смогут «растирать гены в ступке или запекать в печи»^[9][4].

В 1940-х — в начале 1950-х годов в результате работ так называемой фаговой группы, неформальным лидером который был Макс Дельбрюк, а также группы Джошуа Ледерберга и ряда других исследовательских коллективов, данная гипотеза была полностью подтверждена. В 1930—1950-е годы многие исследователи работали также над раскрытием механизмов лизогении, которая была впервые описана д’Эреллем и Борде, которые, однако, не смогли верно интерпретировать свои наблюдения. Окончательно проблема была разрешена в результате работ групп Андре Львова во Франции и Д. Ледерберга. Ими было показано, что профаг — генетический материал умеренного бактериофага — содержится в каждой лизогенной клетке, но проявляется лишь в некоторых в процессе так называемой индукции. Более того, удалось продемонстрировать, что профаги не просто присутствуют в клетке, но интегрируются в её собственный генетический аппарат — хромосому^[10][4]. Эти работы (в сочетании с развивавшимися в то же время исследованиями по генетике бактерий) заложили основы молекулярной генетики и молекулярной биологии и привели к созданию современной концепции вируса как трансмиссивной генетической программы, а также концепции провируса — временно «спящей» формы некоторых вирусов, интегрированной в клеточный геном.

Помимо своих пионерских исследований, касающихся природы бактериофага, Ф. д’Эрелль также предложил вводить полученный in vitro бактериофаг в качестве средства лечения бактериальных инфекций^[7][4]. Этот подход известен как фаговая терапия. По сообщениям самого д’Эрелля в его руках метод фаговой терапии характеризовался впечатляющей эффективностью^[7], и в 1920—1930-е годы эта технология была крайне популярна на Западе, а также в СССР. Однако нестабильные результаты лечения бактериофагами, а также появление сульфаниламидных препаратов и антибиотиков привели практически к исчезновению интереса к фаговой терапии в западной медицине^[11][4]. В СССР (а после распада страны — в России и Грузии) этот метод продолжал применяться. В 2010—2020-х годах фаговая терапия вновь рассматривается как перспективный метод борьбы с бактериальными инфекциями, потенциально способный сгладить последствия глобального кризиса, вызванного распространением устойчивости к антибиотикам^[12][13].

Строение бактериофагов

1 — головка, 2 — хвост, 3 — нуклеиновая кислота, 4 — капсид, 5 — «воротничок», 6 — белковый чехол хвоста, 7 — фибрилла хвоста, 8 — шипы, 9 — базальная пластинка

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру фаги в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2—4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал — одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой — капсидом, сохраняющим геном вне клетки^[14].

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные^[15].

Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку — продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные^[16].

Головка округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45—140 нм. Отросток толщиной 10—40 и длиной 100—200 нм. Одни из бактериофагов округлы, другие нитевидны, размером 8×800 нм. Длина нити нуклеиновой кислоты во много раз превышает размер головки, в которой находится в скрученном состоянии, и достигает 60—70 мкм. Отросток имеет вид полой трубки, окружённой чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда вирусов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные нити, способствующие прикреплению фага к бактерии. Общее количество белка в частице фага — 50—60 %, нуклеиновых кислот — 40—50 %^[17].

Фаги, как и все вирусы, являются внутриклеточными паразитами, и не способны к самостоятельному размножению. Хотя они содержат всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них нет механизмов для выработки энергии и рибосом для синтеза белка. Размер известных фаговых геномов варьирует от нескольких тысяч до 498 тысяч пар оснований (геном фага G, поражающего бацилл)^[18][19]. В метагеномных исследованиях описывали фаговые геномы длиной до 735 т. п. о.^[20].

Классификация бактериофагов

Большое количество выделенных и изученных бактериофагов определяет необходимость их систематизации. Этим занимается Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). В настоящее время, согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов, бактериофаги разделяют в зависимости от типа нуклеиновой кислоты и морфологии.

На данный момент выделяют девятнадцать семейств. Из них только два РНК-содержащих и только пять семейств имеют оболочку. Из семейств ДНК-содержащих вирусов только два семейства имеют одноцепочечные геномы. У девяти ДНК-содержащих семейств геном представлен кольцевой ДНК, а у других девяти — линейной. В 2000 году считалось, что девять семейств специфичны только для бактерий, остальные девять только для архей, а представители семейства Tectiviridae инфицируют как бактерий, так и архей^[21].

Классификация вирусов бактерий и архей по ICTV^[22]

Порядок	Семейство	Морфология	Нуклеиновая кислота	Пример
Caudovirales	Myoviridae	Без оболочки, сократительный хвост	Линейная дцДНК	Фаг Т4, фаг μ, PBSX, P1Puna-like, P2, I3, Bcep 1, Bcep 43, Bcep 78
	Siphoviridae	Без оболочки, несократительный хвост (длинный)	Линейная дцДНК	Фаг λ, фаг T5, C2, L5, HK97, N15
	Podoviridae	Без оболочки, несократительный хвост (короткий)	Линейная дцДНК	Фаг T7, фаг T3, P22, P37
Ligamenvirales	Lipothrixviridae	В оболочке, палочкообразные	Линейная дцДНК	Acidianus filamentous virus 1—3, 6—9
	Rudiviridae	Без оболочки, палочкообразные	Линейная дцДНК	Sulfolobus islandicus rod-shaped virus 1, 2
Неизвестен	Ampullaviridae	В оболочке, бутылкообразные	Линейная дцДНК
	Bicaudaviridae	Без оболочки, лемонообразные	Кольцевая дцДНК
	Clavaviridae	Без оболочки, палочкообразные	Кольцевая дцДНК
	Corticoviridae	Без оболочки, изометрические	Кольцевая дцДНК
	Cystoviridae	В оболочке, сферические	Сегментированная дцРНК
	Fuselloviridae	Без оболочки, лемонообразные	Кольцевая дцДНК
	Globuloviridae	В оболочке, изометрические	Линейная дцДНК
	Guttaviridae	Без оболочки, яйцевидные	Кольцевая дцДНК
	Inoviridae	Без оболочки, нитевидные	Кольцевая оцДНК	M13
	Leviviridae	Без оболочки, изометрические	Линейная оцРНК	MS2, Qβ
	Microviridae	Без оболочки, изометрические	Кольцевая оцДНК	ΦX174
	Plasmaviridae	В оболочке, плеоморфные	Кольцевая дцДНК
	Tectiviridae	Без оболочки, изометрические	Линейная дцДНК

Жизненный цикл

Адсорбция бактериофагов на поверхности бактериальной клетки

По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги^[16]. Вирулентные фаги могут увеличиваться в количестве только посредством литического цикла^[23]. Умеренные бактериофаги после деления клетки находятся в состоянии профага (лизогенный цикл).

Начальные этапы взаимодействия с бактериальной клеткой одинаковы для умеренных и вирулентных бактериофагов. Бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи.

При инициации литического цикла инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. Нуклеиновая кислота фага реплицируется. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние мРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются, соответственно, ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние белки бактериофага (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза). После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс — созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц^[24]. Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов^[23]. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги^[16].

При инициации лизогенного цикла генетический материал фага обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды^[23]. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а бактериофаг в подобном состоянии называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определённых условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление литического цикла. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией, или индукцией профага^[25]. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина, предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции^[23][16][24]. Известны случаи спонтанной индукции. Умеренные фаги из семейства Inoviridae способны стабильно воспроизводиться, не вызывая гибели клеток хозяина^[26].

Специфичность бактериофагов

Изображение фага Enterococcus GVEsP-1 ( Herelleviridae), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

Спектр активности отдельных бактериофагов (англ. host range) часто ограничен штаммами определённого вида бактерий. Однако существуют поливалентные бактериофаги, активные в отношении бактерий из разных таксонов. Например, спектры литической активности значительного числа фагов семейства Autographiviridae включают в себя разные виды, хотя и покрывают только небольшую часть внутривидового разнообразия бактерий ^{[27] [28] [29] [30]}. Различают следующие типы спектра активности бактериофагов: адсорбционный, трансдуктивный, бактерицидный, продуктивный, бляшкообразующий и лизогенный^[31]. Бляшкообразующий спектр активности определяется способностью фага образовывать бляшки на газоне бактерий.

В то же время при малом урожае фаговых частиц продуктивная инфекция возможна без образования бляшек на бактериальном газоне. Распространённый метод тестирования литической активности на бактериальном газоне может давать ложноположительные результаты из-за лизиса бактериальных клеток без размножения вируса. Такой лизис может происходить вследствие адсорбции на бактериальной клетке большого количества фаговых частиц или активности свободных эндолизинов и бактериоцинов фагового препарата. В результате определяемый в лаборатории спектр активности зависит от применяемой методики^[32]. В исследовании 2021 года пять бактериофагов семейства Herelleviridae образовывали бляшки на 51—60 % штаммов S. aureus. Однако при совместном культивировании с бактериями в жидкой среде в течение суток те же бактериофаги были способны подавить рост только 2—49 % штаммов из той же коллекции^[33].

Роль бактериофагов в биосфере

Бактериофаг ϕpp2 патогенных вибрионов V. parahaemolyticus
и V. alginolyticus

Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространённую в биосфере и, предположительно, наиболее эволюционно древнюю группу вирусов^[2][15][34]. В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии, причем в некоторых экосистемах, например в водоемах, численность фаговых частиц превышает численность бактерий в 2—10 раз^{[источник не указан 462 дня]}. Как правило, чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т. д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги, но имеются и исключения^{[источник не указан 462 дня]}. Приблизительный размер глобальной популяции фагов составляет более 10³⁰ фаговых частиц^[35]. Бактериофаги контролируют численность микробных популяций, и в водных местообитаниях косвенно измеряемый вклад фаговой инфекции в смертность бактерий составляет 10—20 %^[36][37]. Помимо этого, они осуществляют горизонтальный перенос наследственного материала, привнося в бактериальный геном новые гены или новые варианты имеющихся генов. Такой перенос может осуществляться посредством трансдукции или лизогенной конверсии^[38][39]. Умеренные бактериофаги в лизогенном состоянии придают своим хозяевам устойчивость к лизису генетически сходными фагами. Лишь незначительно влияя на рост "своих" бактерий, бактериофаги могут подавлять конкурирующие штаммы, тем самым являясь оружием в конкурентной борьбе^[40].

Мониторинг чувствительности к бактериофагам в пресноводных и почвенных местообитаниях выявил существование непрерывных процессов совместной эволюции бактерий и вирусов, в ходе которых бактерии приобретают фагорезистентность, а бактериофаги её преодолевают^[41][42]. Поскольку фаги, как правило, узкоспецифичны по отношению к хозяевам, абсолютная концентрация микробных клеток каждого штамма и активных против них бактериофагов может быть низкой (хотя общая концентрация всех бактерий и всех фагов может быть достаточно высока^[2][43]. В результате, в перемешиваемых системах действует механизм kill-the-winner (убить победителя). В соответствии с ним давление фаговой инфекции на конкретную бактериальную популяцию возрастает по мере роста ее плотности. То есть, фаги вносят больший вклад в смертность экологически более успешных видов и штаммов по сравнению с минорными популяциями^[2][43]. Более того, при лизисе бактериальной клетки бактериофагом большая часть биомассы бактерии преобразуется в мелкодисперсное растворимое органическое вещество, служащее питанием для других гетеротрофных бактерий. В результате фаговая инфекция не только ограничивает размножение наиболее приспособленных видов, но и перераспределяет органическое вещество. По существующим моделям до 26 % всего объема первичной продукции органического вещества в морских экосистемах поступает в пул растворённого органического вещества в результате вирусного (в основном фагового) лизиса клеток различных организмов. Таким образом, фаговая инфекция поддерживает разнообразие бактерий и стимулирует их метаболическую активность, по меньшей мере в некоторых экосистемах. В микробных сообществах, ассоциированных с продуцирующими слизь тканями животных, например, на коралловых рифах или в кишечнике млекопитающих, высокая численность бактерий способствует переходу умеренных фагов в лизогенное состояние, и лизогенная конверсия преобладает над литическим циклом. Следствиями этого являются повышенная устойчивость лизогенов к фаговой инфекции и преимущественное размножение фагов наиболее многочисленных бактерий, не сопровождающееся их гибелью. Такие отношения между вирусами и бактериями описываются моделью piggyback-the-winner (оседлать победителя)^[44][45]. Для описания взаимодействия бактериальной и фаговой популяций также используют модели kill-the-competitor (убить конкурента), arms-race dynamics (динамика гонки вооружений) и fluctuating-selection dynamics (динамика флуктуирующего отбора)^[46].

Бактериофаги присутствуют в значительных количествах и в наземных экосистемах. Так, фаги, лизирующие клетки различных видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно^{[прояснить]} богаты фагами чернозёмы и почвы, в которые вносились органические удобрения^{[источник не указан 462 дня]}. Вирусные сообщества (виромы), состоящие почти целиком из бактериофагов, ассоциированны и с микробиомом тела человека и животных, особенно многочисленны и разнообразны виромы кишечника^{[прояснить][47]}. Предполагают, что виром кишечника играет существенную роль в гомеостазе макроорганизма^{[уточнить]} и в патогенезе некоторых заболеваний^{[уточнить]}.

Высокий уровень специализации, долгосрочное существование, способность быстро репродуцироваться в соответствующем хозяине способствует их сохранению в динамичном балансе среди широкого разнообразия видов бактерий в любой природной экосистеме. Когда подходящий хозяин отсутствует, многие фаги могут сохранять способность к инфицированию на протяжении десятилетий^[23], однако в реальных экосистемах срок полужизни вирусных частиц составляет от нескольких часов до нескольких суток. Фаговые частицы инактивируются ультрафиолетовым облучением, могут необратимо связываться с различными частицами, гибнут в результате непродуктивной инфекции физиологически неактивных или мертвых клеток бактерий, могут выедаться некоторыми видами простейших, разрушаются под действием многих иных факторов. В большинстве случаев суточная продукция фаговых частиц уравновешивается их разрушением^{[источник не указан 462 дня]}.

Методы выделения фагов

Фаговый лизис бактериальной культуры Enterococcus faecalis. Видны негативные колонии, или бляшки бактериофага

Прямой метод

Фаг получают и изучают в фильтратах исследуемого материала. О наличии и активности фага узнают по лизису чувствительной к нему культуры^[48].

Метод обогащения

Подготовительный фильтрат вносят в бульонную культуру соответствующих микроорганизмов. Посев инкубируют — фаг размножается в клетках культуры и, соответственно, число (титр) активных фаговых частиц увеличивается. После этого бульон фильтруют и определяют свойства и активность фага^[48].

Применение

В биологии

Бактериофаги применяются в генной инженерии в качестве векторов, переносящих участки ДНК, возможна также естественная передача генов между бактериями посредством некоторых фагов (трансдукция).

Фаговые векторы обычно создают на базе умеренного бактериофага λ, содержащего двухцепочечную линейную молекулу ДНК. Левое и правое плечи фага имеют все гены, необходимые для литического цикла (репликации, размножения). Средняя часть генома бактериофага λ (содержит гены, контролирующие лизогению, то есть его интеграцию в ДНК бактериальной клетки) не существенна для его размножения и составляет примерно 25 тысяч пар нуклеотидов. Данная часть может быть заменена на чужеродный фрагмент ДНК. Такие модифицированные фаги проходят литический цикл, но лизогения не происходит. Векторы на основе бактериофага λ используют для клонирования фрагментов ДНК эукариот (то есть более крупных генов) размером до 23 тысяч пар нуклеотидов (т. п. н.). Причём, фаги без вставок — менее 38 т. п. н. или, напротив, со слишком большими вставками — более 52 т. п. н. не развиваются и не поражают бактерии^[49].

Бактериофаги M13, фаг Т4, T7 и фаг λ используют для изучения белок-белковых, белок-пептидных и ДНК-белковых взаимодействий методом фагового дисплея.

Поскольку размножение бактериофага возможно только в живых клетках, бактериофаги могут быть использованы для определения жизнеспособности бактерий, например, с помощью метода электрооптического анализа клеточных суспензий^[50].

В медицине

Основная статья: Фаготерапия

Одной из областей использования бактериофагов является антибактериальная терапия, самостоятельная или как дополнение к приёму антибиотиков. Применение бактериофагов в терапевтических целях затруднено их высокой специфичностью, но оправдано при инфекциях, осложнённых антибиотикорезистентностью или развитием биоплёнок^[51]. По состоянию на 2000 год терапевтическое применение бактериофагов не имело одобрения на Западе, однако в различных странах имеет место процесс развития соответствующих правовых норм. С 2018 года в Бельгии фаги производятся в рамках концепции магистральных препаратов на основании разрешений, выдаваемых сертифицированным национальным лабораториям, и применяются под прямой ответственностью врачей и фармацевтов^[52]. В 2020 году фаготерапия пневмонии и бактериемии, обусловленных антибиотикорезистентными штаммами Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, получила одобрение FDA^[53]. За пределами исторического Восточного блока центры фаготерапии функционируют в Бельгии^[54], Израиле^[55] и США^[56]. Доля трудноизлечимых инфекций, при которых наблюдалось клиническое улучшение после курса фаготерапии, была оценена в 79%. Эрадикация возбудителей была достигнута в 87% опубликованных случаев^[57].

Фаговые препараты используются для профилактики заболеваний^[58]. Также существует практика обработки пищевых продуктов для уничтожения бактерий, вызывающих пищевые отравления, таких как листерии^[59].

В современной мировой практике фаготерапия может быть показана и эффективна для персонализированного лечения пациентов в комбинации с антибиотиками^[60]. По состоянию на 2022 год^[61] правовые основания для персонализированного применения бактериофагов практически отсутствуют как в Российской Федерации, так и в других странах мира. Российская Федерация является единственным государством в мире, на территории которого официально внедрены фармакопейные стандарты качества препаратов бактериофагов^[61]. В 2018 г. в Государственную фармакопею Российской Федерации XIV издания включены общая фармакопейная статья ОФС.1.7.1.0002.15 Бактериофаги^[62] и 12 монографий (фармакопейных статей) на отдельные бактериофаги.

В растениеводстве

Бактериофаги могут быть использованы для борьбы с важными для сельского хозяйства патогенами растений. Показана их применимость для обработки растений до сбора урожая и в послеуборочной обработке продукции. Для повышения эффективности и предотвращения развития резистентности у бактериального хозяина используются высокие титры литических фагов. Препятствием применения фаговых препаратов для защиты растений является чувствительность фаговых частиц к ультрафиолету. Для увеличения продолжительности жизни фагов в филлосфере фаги могут быть нанесены вечером. Устойчивую популяцию фагов на поверхности листьев можно создать путём использования различных вспомогательных препаратов, таких как обезжиренное молоко, смешанных с растворами фагов. Также возможно использование непатогенных бактерий-носителей, обеспечивающих размножение и выживание фагов на поверхности растений^[63]. В экспериментах по оценке эффективности бактериофагов для защиты картофеля был показан пятикратный прирост урожайности^[64].

См. также

• Цианофаги

Примечания

1. Сергей Головин Бактериофаги: убийцы в роли спасителей Архивная копия от 10 июня 2017 на Wayback Machine // Наука и жизнь. — 2017. — № 6. — С. 26-33
2. Летаров А. В. Современные концепции биологии бактериофагов. — М.: ДеЛи, 2019. — 384 с. — ISBN 978-5-6042712-4-7.
3. Abedon ST, Thomas-Abedon C, Thomas A, Mazure H (2011). "Bacteriophage prehistory: Is or is not Hankin, 1896, a phage reference?". Bacteriophage. 1 (3): 174—178. doi:10.4161/bact.1.3.16591. PMID 22164351.
4. А.В. Летаров. История ранних исследований бактериофагов и рождение основных концепций вирусологии (рус.) // Биохимия : журнал. — 2020. — Т. 85, № 9. — С. 1189–1212. — doi:10.31857/S0320972520090031.
5. Twort FW (1915). "An investigation on the nature of ultra-microscopic viruses". The Lancet. 186 (4814): 1241—1243. doi:10.1016/S0140-6736(01)20383-3.
6. d'Hérelles F (1917). "Sur un microbe invisible antagoniste des bacilles dysentériques". Comptes Rendus Academie des Sciences Paris. 165: 373—375.
7. Д'Эрелль Ф. Бактериофаг и феномен выздоровления. — Тифлис: Издательство Тифлисского Государственного Университета, 1935.
8. Félix d' Hérelle. Autobiographie de Félix d'Hérelle 1873-1949. — Paris, DL 2017. — 1 v. (XXIX-347 p.) с. — ISBN 978-2-86728-015-3, 2-86728-015-X.
9. Muller HJ (1922). "Variation due to change in the individual gene". The American Naturalist. 56 (642): 32—50.
10. Lwoff A (1953). "Lysogeny". Bacteriological Reviews. 17 (4): 269—337. doi:10.1128/br.17.4.269-337.1953. PMID 13105613.
11. Summers WC (2012). "The strange history of phage therapy". Bacteriophage. 2 (2): 130—133. doi:10.4161/bact.20757. PMID 23050223.
12. McCallin, S. Clinical Trials of Bacteriophage Therapeutics // Bacteriophages / S McCallin, H Brüssow. — Cham : Springer, 2017. — doi:10.1007/978-3-319-40598-8_38-1.
13. Atterbury, RJ. The Use of Bacteriophages in Veterinary Therapy // Bacteriophages / RJ Atterbury, PA Barrow. — Cham : Springer, 2019. — doi:10.1007/978-3-319-40598-8_32-1.
14. Ковалёва Е. Н. Создание биопрепарата на основе выделенных и изученных бактериофагов Enterococcus faecalis: Дис. … канд. биол. наук. — Саратов, 2009. — 151 с.
15. Ackermann HW (2003). "Bacteriophage observations and evolution". Research in Microbiology. 154 (4): 245—251. doi:10.1016/S0923-2508(03)00067-6. PMID 12798228.
16. Ожерельева Н. Г. Краткая Медицинская Энциклопедия, М.: изд-во «Советская Энциклопедия», 1989. — издание второе.
17. Бактериофаги // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
18. Molecular Medical Microbiology / Yi-Wei Tang, Max Sussman, Dongyou Liu, Ian Poxton, Joseph Schwartzman. — 2 ed. — Academic Press, 2014. — Vol. 1. — P. 579. — 2216 p. — ISBN 9780123977632.
19. Bacillus phage G, complete genome  (неопр.). GenBank. Дата обращения: 23 июля 2017. Архивировано 21 августа 2018 года.
20. Al-Shayeb B; Sachdeva R; Chen LX; et al. (2020). "Clades of huge phages from across Earth's ecosystems". Nature. 578 (7795): 425—431. doi:10.1038/s41586-020-2007-4. PMID 32051592.
21. Virus Taxonomy. Classification and Nomenclature of Viruses. Seventh Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses / Edited by M. H. V. van Regenmontel et al. — San Diego: Academic Press, 2000. — P. 43—53, 64—129.
22. Mc Grath S and van Sinderen D (editors). Bacteriophage: Genetics and Molecular Biology (англ.). — 1st. — Caister Academic Press^[англ.], 2007. — ISBN 978-1-904455-14-1. Архивировано 22 октября 2016 года.
23. Guttman B., Raya R., Kutter E. Basic Phage Biology, in Bacteriophages: Biology and Applications, (Kutter E. and Sulakvelidze A., ed.), CRP Press, 2005 FL. — P. 29-66.
24. Микробиология: учеб. пособие / В. В. Лысак. — Минск: БГУ, 2007. — 430 с.
25. Raya R.R., Hébert E.M. Isolation of phage via induction of lysogens. Bacteriophages: Methods and Protocols, Volume 1: Isolation, Characterization, and Interaction (Martha R.J. Clokie, Andrew M. Kropinski (eds.), 2009. — V. 501. — P. 23-32.
26. Harper, DR. Introduction to Bacteriophages // Bacteriophages. — Cham : Springer, 2020. — doi:10.1007/978-3-319-40598-8_48-2.
27. Salem M; Virtanen S; Korkeala H; Skurnik M (2015). "Isolation and characterization of Yersinia-specific bacteriophages from pig stools in Finland". J Appl Microbiol. 118 (3): 599—608. doi:10.1111/jam.12722. PMID 25495090.
28. Oliveira H; Costa AR; Konstantinides N; Ferreira A; Akturk E; Sillankorva S; Nemec A; Shneider M; Dötsch A; Azeredo J (2017). "Ability of phages to infect Acinetobacter calcoaceticus-Acinetobacter baumannii complex species through acquisition of different pectate lyase depolymerase domains". Environ Microbiol. 19 (12): 5060—5077. doi:10.1111/1462-2920.13970. PMID 29076652.
29. Jun JW; Park SC; Wicklund A; Skurnik M (2018). "Bacteriophages reduce Yersinia enterocolitica contamination of food and kitchenware". Int J Food Microbiol. 271: 33–47. doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2018.02.007. PMID 29477807.
30. Zaczek-Moczydłowska MA; Young GK; Trudgett J; Plahe C; Fleming CC; Campbell K; O'Hanlon R (2020). "Phage cocktail containing Podoviridae and Myoviridae bacteriophages inhibits the growth of Pectobacterium spp. under in vitro and in vivo conditions". PLoS One. 15 (4): e0230842. doi:10.1371/journal.pone.0230842. PMID 32240203.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
31. Hyman P; Abedon ST (2010). "Bacteriophage host range and bacterial resistance". Advances in Applied Microbiology. 70: 217—248. doi:10.1016/S0065-2164(10)70007-1. PMID 20359459.
32. Ross A; Ward S; Hyman P (2016). "More is better: selecting for broad host range bacteriophages". Frontiers in Microbiology. 7: 1352. doi:10.3389/fmicb.2016.01352. PMID 27660623.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
33. Sáez Moreno D; Visram Z; Mutti M; Restrepo-Córdoba M; Hartmann S; Kremers AI; Tišáková L; Schertler S; Wittmann J; Kalali B; et al. (2021). "ε²-phages are naturally bred and have a vastly improved host range in Staphylococcus aureus over wild type phages". Pharmaceuticals (Basel). 15 (4): 325. doi:10.3390/ph14040325. PMID 33918287.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
34. Hendrix RW (2002). "Bacteriophages: evolution of the majority". Theoretical Population Biology. 61 (4): 471—480. doi:10.1006/tpbi.2002.1590. PMID 12167366.
35. Suttle CA (2005). "Viruses in the sea". Nature. 437 (7057): 356—361. doi:10.1038/nature04160. PMID 16163346.
36. Suttle CA (1994). "The significance of viruses to mortality in aquatic microbial communities". Microb Ecol. 28 (2): 237—243. doi:10.1007/BF00166813. PMID 24186450.
37. Duhamel S; Domaizon-Pialat I; Personnic S; Jacquet S (2006). "Assessing the microbial community dynamics and the role of bacteriophages in bacterial mortality in Lake Geneva". Revue des sciences de l'eau. 19 (2): 115—126. doi:10.7916/d8-twsz-xt06.
38. Шестаков С. В. Как происходит и чем лимитируется горизонтальный перенос генов у бактерий. Экологическая генетика 2007. — Т. 5. — № 2. — C. 12-24.
39. Touchon M; Moura de Sousa JA; Rocha EP (2017). "Embracing the enemy: the diversification of microbial gene repertoires by phage-mediated horizontal gene transfer". Curr Opin Microbiol. 38: 66—73. doi:10.1016/j.mib.2017.04.010. PMID 28527384.
40. Thomas MJN, Brockhurst MA, Coyte KZ. What makes a temperate phage an effective bacterial weapon? mSystems. 2024;9(6):e0103623. doi: 10.1128/msystems.01036-23. PMID: 38727217
41. Laanto E, Hoikkala V, Ravantti J, Sundberg LR. Long-term genomic coevolution of host-parasite interaction in the natural environment. Nat Commun. 2017;8(1):111. doi: 10.1038/s41467-017-00158-7. PMID: 28740072
42. Dewald-Wang EA, Parr N, Tiley K, Lee A, Koskella B. Multiyear Time-Shift Study of Bacteria and Phage Dynamics in the Phyllosphere. Am Nat. 2022;199(1):126–140. doi: 10.1086/717181. PMID: 34978974
43. Weinbauer MG (2004). "Ecology of prokaryotic viruses". FEMS Microbiology Reviews. 28 (2): 127—181. doi:10.1016/j.femsre.2003.08.001. PMID 15109783.
44. Knowles B; Silveira CB; Bailey BA; et al. (2016). "Lytic to temperate switching of viral communities". Nature. 531 (7595): 466—470. doi:10.1038/nature17193. PMID 26982729.
45. Silveira CB; Rohwer FL (2016). "Piggyback-the-Winner in host-associated microbial communities". NPJ Biofilms Microbiomes. 2: 16010. doi:10.1038/npjbiofilms.2016.10. PMID 28721247.
46. Brown TL; Charity OJ; Adriaenssens EM (2023). "Ecological and functional roles of bacteriophages in contrasting environments: marine, terrestrial and human gut". Curr Opin Microbiol. 70: 102229. doi:10.1016/j.mib.2022.102229. PMID 36347213.
47. Shkoporov AN, Hill C (2019). "Bacteriophages of the Human Gut: The "Known Unknown" of the Microbiome". Cell Host & Microbe. 25 (2): 195—209. doi:10.1016/j.chom.2019.01.017. PMID 30763534.
48. Камышева К. С. Основы микробиологии и иммунологии. — 2-е изд. — Ростов н/Д.: Феникс, 2019. — 381 с. — ISBN 978-5-222-31587-3.
49. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия / С. Н. Щелкунов. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. — 496 с.
50. Guliy OI, Bunin VD, O'Neil D, Ivnitski D, Ignatov OV (2007). "A new electro-optical approach to rapid assay of cell viability". Biosensors and Bioelectronics. 23 (4): 583—587. doi:10.1016/j.bios.2007.06.008. PMID 17764921.
51. Aguita, Maria. "Combating Bacterial Infection". LabNews.co.uk. Архивировано 20 августа 2021. Дата обращения: 5 мая 2009.
52. Pirnay JP; Verbeken G (2023). "Magistral phage preparations: is this the model for everyone?". Clinical Infectious Diseases. 77 (Supplement_5): S360–S369. doi:10.1093/cid/ciad481. PMID 37932120.
53. FDA Clears Expanded Access IND for APT’s phage bank Therapy to Combat COVID-19-related Bacterial Infections  (неопр.) (18 ноября 2020). Дата обращения: 30 сентября 2022. Архивировано 30 сентября 2022 года.
54. Djebara S; Maussen C; De Vos D; et al. (2019). "Processing phage therapy requests in a Brussels military hospital: lessons identified". Viruses. 11 (3): 265. doi:10.3390/v11030265. PMID 30884879.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
55. Onallah H; Hazan R; Nir-Paz R; et al. (2023). "Compassionate use of bacteriophages for failed persistent infections during the first 5 years of the Israeli phage therapy center". Open Forum Infectious Diseases. 10 (5): ofad221. doi:10.1093/ofid/ofad221. PMID 37234511.
56. Aslam S; Lampley E; Wooten D; et al. (2020). "Lessons learned from the first 10 consecutive cases of intravenous bacteriophage therapy to treat multidrug-resistant bacterial infections at a single center in the United States". Open Forum Infectious Diseases. 7 (9): ofaa389. doi:10.1093/ofid/ofaa389. PMID 33005701.
57. Uyttebroek S; Chen B; Onsea J; et al. (2022). "Safety and efficacy of phage therapy in difficult-to-treat infections: a systematic review". The Lancet Infectious Diseases. 22 (8): e208—e220. doi:10.1016/S1473-3099(21)00612-5. PMID 35248167.
58. Все юные жители Крымска привиты от гепатита A | РИА ФедералПресс  (неопр.). Дата обращения: 22 июля 2014. Архивировано 27 июля 2014 года.
59. Pirisi A (2000). "Phage therapy—advantages over antibiotics?". The Lancet. 356 (9239): 1418. doi:10.1016/S0140-6736(05)74059-9. PMID 11052592.
60. Jean-Paul Pirnay, Sarah Djebara, Griet Steurs, Johann Griselain, Christel Cochez, Steven De Soir, Tea Glonti, An Spiessens, Emily Vanden Berghe, Sabrina Green, Jeroen Wagemans, Cédric Lood, Eddie Schrevens, Nina Chanishvili, Mzia Kutateladze, Mathieu de Jode, Pieter-Jan Ceyssens, Jean-Pierre Draye, Gilbert Verbeken, Daniel De Vos, Thomas Rose, Jolien Onsea, Brieuc Van Nieuwenhuyse, Bacteriophage Therapy Providers, Kim Win Pang, Willem-Jan Metsemakers, Dimitri Van der Linden, Olga Chatzis, Anaïs Eskenazi, Angel Lopez, Adrien De Voeght, Anne Françoise Rousseau, Anne Tilmanne, Daphne Vens, Jean Gérain, Brice Layeux, Erika Vlieghe, Ingrid Baar, Sabrina Van Ierssel, Johan Van Laethem, Julien Guiot, Sophie De Roock, Serge Jennes, Saartje Uyttebroek, Laura Van Gerven, Peter W. Hellings, Lieven Dupont, Yves Debaveye, David Devolder, Isabel Spriet, Paul De Munter, Melissa Depypere, Michiel Vanfleteren, Olivier Cornu, Stijn Verhulst, Tine Boiy, Stoffel Lamote, Thibaut Van Zele, Grégoire Wieërs, Cécile Courtin, David Lebeaux, Jacques Sartre, Tristan Ferry, Frédéric Laurent, Kevin Paul, Mariagrazia Di Luca, Stefan Gottschlich, Tamta Tkhilaishvili, Novella Cesta, Karlis Racenis, Telma Barbosa, Luis Eduardo López-Cortés, Maria Tomás, Martin Hübner, Truong-Thanh Pham, Paul Nagtegaal, Jaap Ten Oever, Johannes Daniels, Maartje Loubert, Ghariani Iheb, Joshua Jones, Lesley Hall, Matthew Young, Bacteriophage Donors, Nana Balarjishvili, Marina Tediashvili, Yigang Tong, Christine Rohde, Johannes Wittmann, Ronen Hazan, Ran Nir-Paz, Joana Azeredo, Victor Krylov, David Cameron, Melissa Pitton, Yok-Ai Que, Gregory Resch, Shawna McCallin, Matthew Dunne, Samuel Kilcher, Patrick Soentjens, Rob Lavigne, Maya Merabishvili. Personalized bacteriophage therapy outcomes for 100 consecutive cases: a multicentre, multinational, retrospective observational study (англ.) // Nature Microbiology. — 2024-06-04. — Vol. 9, iss. 6. — P. 1434–1453. — ISSN 2058-5276. — doi:10.1038/s41564-024-01705-x.
61. D. S. Davydov, R. L. Parfenyuk, Z. V. Durmanova, V. A. Merkulov, A. A. Movsesyants. Characteristic aspects of marketing authorisation and quality assurance of bacteriophage medicinal products in the Russian Federation // Biological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment. — 2023-01-24. — Т. 23, вып. 2. — С. 181–193. — ISSN 2619-1156. — doi:10.30895/2221-996X-2023-431.
62. Общая фармакопейная статья ОФС.1.7.1.0002.15. Бактериофаги.  (неопр.) (1 декабря 2018).
63. Jones, JB. Crop Use of Bacteriophages // Bacteriophages / JB Jones, AM Svircev, AŽ Obradović. — Cham : Springer, 2018. — doi:10.1007/978-3-319-40598-8_28-1.
64. Voronina MV, Bugaeva EN, Vasiliev DM, et al. (2019). "Characterization of Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum bacteriophage PP16 prospective for biocontrol of potato soft rot". Microbiology. 88 (5): 451—460. doi:10.1134/S0026261719040118.

Ссылки

• Бактериофаги // Лекция к.б.н. К. Мирошникова в проекте ПостНаука (18.02.2013)