Вирус фаг: Бактериофаги (статья) | Вирусы | Академия Хана

Вирусная буква | Наука и жизнь

Многие бактериальные вирусы используют альтернативный генетический алфавит, тем самым обманывая защитные противовирусные системы бактерий.

Генетический алфавит состоит из пяти букв: А, Т, G, C и U. Буквы обозначают азотистые основания: аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил. Азотистые основания соединяются с сахаром (рибозой или дезоксирибозой) и остатком фосфорной кислоты, и в таком виде встраиваются в цепь нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК. Последовательность ДНК — это чередующиеся А, Т, G и C, в РНК вместо тимина (Т) стоит урацил (U). ДНК представляет собой двойную спираль, и последовательности букв двух цепей соединены друг с другом водородными связями. А всегда стоит напротив Т — между ними образуется две водородные связи. G стоит напротив С — между ними образуется три водородные связи.

Бактериофаги на бактериальной клетке. (Фото: iLexx / Depositphotos) 

Открыть в полном размере

‹

›


У генетических букв могут быть разнообразные химические модификации, но в любом случае число связей в паре остаётся одно и то же. Но в 1977 году исследователи из Московского государственного университета опубликовали в Nature статью, в которой описывали странную ДНК бактериофага S-2L, поражающего цианобактерий. У этого бактериофага в паре с тимином (Т) стоят не аденин (А), а другое азотистое основание под названием 2-аминоаденин, которое для краткости назвали Z. Между Z и Т было не две водородные связи, а три. Не все тимины в ДНК фага стояли в паре Z, но большинство. И учитывая тройную связь между ними, всё выглядело так, как будто вирус использовал альтернативную версию генетического кода.


До поры до времени бактериофаг S-2L считался просто странной аномалией, уникальной в своём роде. Стоит ли обращать на него особое внимание, если все остальные организмы — вирусы, бактерии, грибы, растения, животные — используют обычный набор А, Т (U), G и C? Но на самом деле альтернативный алфавит оказался гораздо более распространён, чем это могло показаться на первый взгляд.


В конце 90-х годов сотрудники Института Пастера прочитали геном фага S-2L, чтобы узнать, откуда у него вообще берётся такая необычная генетическая буква. Им удалось найти некий ген purA — он кодировал фермент, который участвовал в синтезе аденина и который создавал фагу букву Z (ещё раз скажем, что основание Z — производное обычного аденина (А)). Спустя несколько лет похожий ген обнаружили у бактериофага, поражающего бактерий рода Vibrio. В ДНК этого вируса тоже была нестандартная генетическая буква. Бактерий рода Vibrio и их фагов выращивать проще, чем цианобактерий и фаг S-2L, так что теперь удалось больше узнать о механизме синтеза альтернативной буквы. В вышедшей на днях статье в Science исследователи из Института Пастера описывают структуру и функции фермента PurZ, который во многом похож на фермент PurA у фага S-2L и который помогает второму фагу получить азотистое основание Z. Более того, гены purZ обнаружились и у других бактериофагов.


Синтез новых молекул ДНК выполняет белок ДНК-полимераза, которая по мере надобности выхватывает из окружающего раствора молекулы-буквы А, Т, G и С. Но если вместо обычного А вокруг плавает Z? Фермент должен уметь обращаться с нестандартной буквой. В другой статье, тоже опубликованной в Science, сотрудники Института Пастера вместе с коллегами из Германии, Бельгии и США описывают вирусные гены, которые кодируют альтернативные ДНК-полимеразы — эти версии фермента как раз способны манипулировать буквой Z. Специальная ДНК-полимераза есть не у всех фагов, которые используют Z, и, возможно, у тех, у кого её нет, обычный фермент каким-то образом справляется с нестандартной буквой.


Но насколько вообще распространён альтернативный алфавит? Уже понятно, что фаг S-2L, с которого всё начиналось, не такое уж исключение. Но сколько таких фагов есть на свете — два, три, десяток? На этот вопрос попытались ответить исследователи из Тяньцзиньского университета и других научных центров США, Китая и Сингапура при участии Ивана Худякова из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии (который был одним из соавторов статьи в Nature о необычном геноме фага S-2L).


Они проанализировали геномы множества фагов, и обнаружили, что белки, которые нужны для работы с азотистым основанием Z, есть как минимум у нескольких десятков бактериофагов. Более того, некоторые вирусы перенастраивают бактериальные ферменты, чтобы они помогали синтезировать Z, а специальные вирусные белки понижают уровень «стандартной» буквы А в бактериальной клетке, чтобы она не попала в их геном. Эти результаты описаны в третьей статье, тоже опубликованной в Science.


Зачем вирусам понадобился изменённый генетический алфавит? Дело в том, что у бактерий есть особые ферменты, которые защищают их от вирусного вторжения. Когда в бактериальной клетке появляется фаговая ДНК, эти ферменты её узнают и разрушают. Но если в фаговой ДНК вместо буквы А стоит буква Z, то бактериальные защитные ферменты оказываются бессильны, и вирус может спокойно размножаться дальше.

Что в голове у бактериофага • Галина Клинк • Научная картинка дня на «Элементах» • Вирусология

На этой микрофотографии, сделанной при помощи криоэлектронного микроскопа, запечатлена икосаэдрическая головка бактериофага (вируса, поражающего бактерии) Т4. Т4 специализируется на энтеробактериях, в том числе на кишечной палочке (Escherichia coli). Это довольно крупный бактериофаг, его ширина составляет примерно 90 нм, а длина — 200 нм. Красные сгустки внутри головки на фото — это плотно упакованная ДНК. Собственно, кроме ДНК в головке фага ничего и нет, только белковая оболочка — капсид.

Геном фага Т4 огромен, он содержит 168 903 пар нуклеотидов — всего в 30 раз меньше, чем геном его хозяина, кишечной палочки Escherichia coli. Для сравнения, длина генома папилломавируса человека — 8000 пар нуклеотидов. Что же кодирует такая длинная ДНК бактериофага и как она вообще умещается в головку вируса?

Фаг Т4 — один из самых сложно устроенных вирусов. Он несет в своей ДНК около 300 белок-кодирующих генов, причем из них только 69 необходимы ему для выживания в стандартных условиях лаборатории. Большинство белков фага Т4 не похожи на известные белки других организмов. Но есть и такие, чьи родственники найдены у прокариот и эукариот. Функции многих белков этого вируса до сих пор не установлены, одна только головка состоит по крайней мере из 12 типов белков. Кроме белков, ДНК бактериофага кодирует несколько транспортных РНК и коротких регуляторных РНК — свойство, обычное для самостоятельных организмов, но не распространенное среди вирусов.

В ходе инфекции бактериофаг Т4 полностью переключает работу клеточных систем хозяина на свои нужды. В этом паразиту помогают собственные ферменты для синтеза нуклеотидов, репликации (удвоения) и репарации (починки от повреждений) ДНК и множество других белков. Например, у Т4 есть белок, который попадает в бактерию вместе с ДНК фага и на ранних этапах инфекции модифицирует РНК-полимеразу (основной белок транскрипции — «переписывания» генетической информации с ДНК на РНК) бактерии так, что фермент охотнее взаимодействует с ДНК вируса, чем с ДНК клетки. Это способствует синтезу белков, необходимых фагу в начале инфекции. Позже другой белок модифицирует полимеразу так, что она начинает охотнее взаимодействовать с генами фага Т4, нужными на следующем этапе. И наконец, после очередной модификации, РНК-полимераза бактерии начинает взаимодействовать с так называемыми «поздними» генами Т4.

Другой интересный пример — белок, который встраивается во внутреннюю мембрану клетки-хозяина (у кишечной палочки, как у любой уважающей себя грамотрицательной бактерии, есть две клеточные мембраны) и не дает генетической информации других бактериофагов попасть внутрь. Есть у Т4 и белки, разрезающие ДНК бактерии-хозяина и проникших в нее других бактериофагов. С ДНК Т4 эти белки они не связываются, поскольку в ее состав вместо нуклеотида цитозина входит модифицированный гидроксиметилцитозин.

Отдельного внимания заслуживают белки, необходимые для синтеза новых вирионов (вирусных частиц) и для упаковки в них ДНК. Более 40% белков фага Т4 вовлечены в сборку вириона, состоящего из головки и сокращающегося хвоста с хвостовыми нитями для прикрепления к бактерии. Вирион устроен так сложно, что у Т4 есть специальные «белки строительных лесов», создающие каркас для сборки головки и удаляющиеся из нее при созревании.

Пока точно не известно, каким образом настолько огромная молекула ДНК укладывается в вирусной головке. Зато известно, что она затаскивается внутрь действием белкового «мотора», что сопряжено с гидролизом «энергетической молекулы» — АТФ. Весь геном Т4 проталкивается в головку за пять минут.

Ученые уже пытаются «научить» Т4 упаковывать в свою головку чужеродные нуклеиновые кислоты или белки. Предполагают, что таким образом можно доставлять молекулярные грузы в конкретные эукариотические клетки.

Фото с сайта cgl.ucsf.edu.

О криоэлектронном микросопе см. также:
Нобелевская премия по химии — 2017, «Элементы», 12.10.2017.

О бактериофагах см. также:
Бактериофаги: 100 лет на службе человечеству, «Наука из первых рук» №4, 2016.
Пожиратели бактерий, «Популярная механика» №10, 2013.

Галина Клинк

Как это работает, плюсы и минусы, доступность и многое другое

Фаговая терапия (ФТ) также называется терапией бактериофагами. Он использует вирусы для лечения бактериальных инфекций. Бактериальные вирусы называются фагами или бактериофагами. Они атакуют только бактерии; фаги безвредны для людей, животных и растений.

Бактериофаги – естественные враги бактерий. Слово бактериофаг означает «пожиратель бактерий». Они находятся в почве, сточных водах, воде и других местах, где живут бактерии. Эти вирусы помогают контролировать рост бактерий в природе.

Фаговая терапия может показаться чем-то новым, но она используется уже 100 лет. Однако лечение малоизвестно. Необходимы дополнительные исследования бактериофагов. Эта терапия болезнетворных бактерий может быть полезной альтернативой антибиотикам.

Бактериофаги убивают бактерии, заставляя их лопаться или разрушаться. Это происходит, когда вирус связывается с бактериями. Вирус заражает бактерии, вводя свои гены (ДНК или РНК).

Фаговый вирус копирует себя (воспроизводится) внутри бактерии. Это может составить до 1000 новых вирусов в каждой бактерии. Наконец, вирус разрушает бактерии, высвобождая новые бактериофаги.

Бактериофаги могут размножаться и расти только внутри бактерии. Как только все бактерии лизируются (умрут), они перестают размножаться. Как и другие вирусы, фаги могут находиться в состоянии покоя (в спячке), пока не появится больше бактерий.

Антибиотики также называют антибактериальными средствами. Они являются наиболее распространенным типом лечения бактериальных инфекций. Антибиотики — это химические вещества или лекарства, которые уничтожают бактерии в вашем организме.

Антибиотики спасают жизни и предотвращают распространение болезней. Однако они могут вызвать две основные проблемы:

1. Антибиотики атакуют более одного вида бактерий

Это означает, что они могут убивать как плохие, так и хорошие бактерии в вашем организме. Ваше тело нуждается в определенных видах бактерий, чтобы помочь вам переваривать пищу, производить некоторые питательные вещества и поддерживать ваше здоровье.

Полезные бактерии также помогают остановить рост других бактериальных, вирусных и грибковых инфекций в организме. Вот почему антибиотики могут вызывать такие побочные эффекты, как:

  • расстройство желудка
  • тошнота и рвота
  • спазмы
  • вздутие живота и газообразование
  • диарея
  • дрожжевые инфекции

2. Антибиотики могут привести к «супербактериям»

Это означает, что вместо прекращения некоторые бактерии становятся устойчивыми или невосприимчивыми к лечению антибиотиками. Резистентность возникает, когда бактерии эволюционируют или изменяются, чтобы стать сильнее антибиотиков.

Они даже могут передать эту «сверхспособность» другим бактериям. Это может вызвать опасные инфекции, которые не поддаются лечению. Неизлечимые бактерии могут быть смертельными.

Правильно используйте антибиотики, чтобы предотвратить резистентность бактерий. Например:

  • Используйте антибиотики только при бактериальных инфекциях. Антибиотики не лечат вирусные инфекции, такие как простуда, грипп и бронхит.
  • Не используйте антибиотики, если они вам не нужны.
  • Не заставляйте своего врача назначать антибиотики вам или вашему ребенку.
  • Принимайте все антибиотики строго по назначению.
  • Примите полную дозу антибиотиков, даже если почувствуете себя лучше.
  • Не принимайте антибиотики с истекшим сроком годности.
  • Выбрасывайте просроченные или неиспользованные антибиотики.

Преимущества фаготерапии компенсируют недостатки антибиотиков.

Так же, как существует много видов бактерий, существует несколько типов бактериофагов. Но каждый вид фага будет атаковать только определенную бактерию. Он не заразит другие виды бактерий.

Это означает, что фаг можно использовать для прямого воздействия на болезнетворные бактерии. Например, стрептококковый бактериофаг убивает только бактерии, вызывающие стрептококковую инфекцию горла.

В обзоре исследований 2011 года перечислены некоторые плюсы бактериофагов:

  • Фаги работают как против излечимых, так и против устойчивых к антибиотикам бактерий.
  • Их можно использовать отдельно или с антибиотиками и другими препаратами.
  • Фаги размножаются и увеличиваются в количестве сами по себе во время лечения (может потребоваться только одна доза).
  • Они лишь немного мешают нормальным «хорошим» бактериям в организме.
  • Фаги естественны и их легко найти.
  • Не вредны (токсичны) для организма.
  • Не токсичны для животных, растений и окружающей среды.

Бактериофаги еще не нашли широкого применения. Эта терапия требует дополнительных исследований, чтобы выяснить, насколько хорошо она работает. Неизвестно, могут ли фаги нанести вред людям или животным способами, не связанными с прямой токсичностью.

Кроме того, неизвестно, может ли фаговая терапия привести к тому, что бактерии станут сильнее бактериофага, что приведет к резистентности к фагам.

Минусы фаготерапии включают следующее:

  • В настоящее время трудно подготовить фаги для использования на людях и животных.
  • Неизвестно, какую дозу или количество фагов следует использовать.
  • Неизвестно, сколько времени может занять фаготерапия.
  • Может быть трудно найти именно тот фаг, который необходим для лечения инфекции.
  • Фаги могут вызывать чрезмерную реакцию иммунной системы или вызывать дисбаланс.
  • Некоторые типы фагов не так эффективны для лечения бактериальных инфекций, как другие.
  • Может не хватить видов фагов для лечения всех бактериальных инфекций.
  • Некоторые фаги могут вызывать резистентность бактерий.

Фаговая терапия еще не одобрена для людей в США и Европе. Экспериментальное использование фагов проводилось лишь в нескольких редких случаях.

Одной из причин этого является то, что антибиотики более доступны и считаются более безопасными в использовании. В настоящее время ведутся исследования наилучшего способа использования бактериофагов у людей и животных. Безопасность фаготерапии также нуждается в дополнительных исследованиях.

В пищевой промышленности

Однако фаготерапия используется в пищевой промышленности. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило некоторые смеси фагов, которые помогают остановить рост бактерий в пищевых продуктах. Phage therapy in food prevents bacteria that can cause food poisoning, such as:

  • Salmonella
  • Listeria
  • E. coli
  • Mycobacterium tuberculosis
  • Campylobacter
  • Pseudomonas

Фаги добавляются в некоторые обработанные пищевые продукты, чтобы предотвратить рост бактерий.

Другое применение фаготерапии, которое проходит испытания, включает добавление бактериофагов в чистящие средства для уничтожения бактерий на поверхностях. Это может быть полезно в больницах, ресторанах и других местах.

Фаговая терапия может быть очень важна при лечении инфекций, не поддающихся лечению антибиотиками. Например, его можно использовать против мощной Staphylococcus (стафилококк) бактериальная инфекция, называемая MRSA.

Известны случаи успешного применения фаготерапии. Одна из таких историй успеха связана с 68-летним мужчиной из Сан-Диего, штат Калифорния, которого лечили от резистентной бактерии под названием Acinetobacter baumannii .

После более чем трехмесячного лечения антибиотиками его врачи смогли остановить инфекцию с помощью бактериофагов.

Фаготерапия не нова, но ее применение у людей и животных также недостаточно изучено. Текущие исследования и некоторые успешные случаи могут означать, что это может стать более распространенным явлением. Поскольку фаготерапия считается безопасной и одобрена для использования в пищевой промышленности, это может произойти довольно скоро.

Фаготерапия – это природные «антибиотики», которые могут быть хорошей альтернативой лечению. Это также может быть полезно для других целей, таких как хирургическое и больничное дезинфицирующее средство. Необходимы дополнительные исследования, прежде чем его использование будет одобрено для людей.

Разработка кросс-сборочного фага в качестве вирусного индикатора для оросительных вод

Главная >
Финансируемые исследовательские проекты >

Дата

1 января 2017 г. — 31 декабря 2018 г.

Номер награды

2017-117F

Присужденная сумма

143 236,00 долларов США

Исследователь

.
University of Notre Dame

Ресурсы

Резюме

Обеспечение высокого качества поливной воды необходимо для защиты населения при потреблении минимально обработанной продукции. Самый высокий риск воздействия загрязненной воды связан с вирусами; однако в настоящее время качество воды контролируется с помощью бактерий, которые являются плохими представителями вирусов. Все предыдущие вирусные индикаторы ограничены низкой распространенностью (т.е. трудностью обнаружения) в окружающей среде. Недавно был обнаружен бактериофаг (вирус, поражающий бактерии) под названием «кросс-сборочный фаг» (crAssphage), который встречается в большем количестве, чем все другие бактериофаги в кишечнике человека вместе взятые. Исследования исследовательской группы PI показали, что crAssphage очень распространен в сточных водах. Поскольку crAssphage является вирусом, он лучше отражает вирусное загрязнение окружающей среды. В этом исследовании я предлагаю взять пробы оросительной воды и измерить crAssphage, вирусы и индикаторы в этих пробах, чтобы продемонстрировать взаимосвязь crAssphage и патогенов. Я также предложил определить, какой объем образца необходим для точного измерения crAssphage. Разработка этого инструмента вирусного мониторинга, катализируемая финансированием этого проекта, позволит специалистам по управлению рисками иметь точные и многочисленные индикаторы вирусного заражения. В конечном итоге это обеспечит большую защиту здоровья населения и повысит доверие потребителей к потреблению продукции.

Технический реферат

Вода для поверхностного орошения представляет собой потенциальный источник передачи вирусов для производства – обеспечение качества воды для орошения имеет решающее значение для ограничения передачи болезней, связанных с производством. Наибольший инфекционный риск от контакта с загрязненной водой связан с вирусными возбудителями. Все существующие индикаторы вирусного загрязнения оспариваются из-за низкой распространенности в окружающей среде. Оросительные воды обычно контролируются на предмет биологического качества с использованием фекальных индикаторных бактерий (FIB). FIB являются неадекватными представителями вирусов из-за различной встречаемости, стойкости, источника и распространенности в окружающей среде. Недавно в кишечнике человека был обнаружен широко распространенный бактериофаг, названный фагом перекрестной сборки (сокращенно crAssphage). Первоначальные исследования в группе PI показали, что этот вирусный индикатор очень распространен в сточных водах и специфичен для сточных вод (т. е. не идентифицирован в фекалиях животных). Был разработан ПЦР-анализ конечной точки для crAssphage, а разработка количественной ПЦР находится в стадии реализации и, как ожидается, будет завершена к началу проекта. Этот анализ по крайней мере так же быстр, как существующие анализы измерения бактерий, и демонстрирует сопоставимый предел обнаружения в сточных водах. Чтобы оценить пригодность crAssphage в оросительной воде, я предлагаю взять пробы оросительной воды и измерить crAssphage, а также существующие патогены и индикаторы. Это позволит установить корреляцию crAssphage с патогенами и существующими индикаторами, которые используются для принятия решений с учетом рисков. Также будет определен предел обнаружения crassphage в оросительных водах. Для обеспечения достаточной глубины и широты выборки будет использоваться двухуровневый подход к выборке. Особое внимание будет уделено источникам орошения поверхностными водами с высоким потенциалом загрязнения сточными водами. Во-первых, образцы в Южной и Центральной Пенсильвании будут собираться на фермах, использующих поверхностные источники орошения, ежемесячно в течение двух лет (>100 образцов). Во-вторых, образцы будут собираться из поверхностных источников орошения в Аризоне и центральной Калифорнии ежегодно в течение двух вегетационных периодов (20-30 образцов). Особое внимание будет уделено затронутым источникам орошения. CrAssphage, вирусы и FIB будут измеряться с помощью ПЦР и посева, а также будет проведен корреляционный анализ, чтобы продемонстрировать пригодность crAssphage в качестве индикатора вирусного заражения. Также будет определен предел обнаружения кразофагов в оросительных водах для информирования о необходимом объеме отбора проб. В конечном счете, поддержка этого проекта позволит разработать инструмент, который в настоящее время недоступен для производителей или лиц, принимающих решения, — обильный и специфичный для сточных вод индикатор вирусного заражения. Этот инструмент позволит принимать решения на основе рисков, включая более точную оценку вирусных патогенов.

Цели исследования

  1. Сбор проб поливной воды.

Оросительные воды будут собираться и обрабатываться в западной Пенсильвании (большой охват проб), а также в Аризоне и Калифорнии (отбор проб один раз в год). Особое внимание мы уделим отбору проб загрязненных поверхностных вод, используемых для орошения. Для отбора проб будут изучены дополнительные регионы и места отбора проб.

  1. Измерение и определение корреляции уровней crAssphage, вирусных патогенов и FIB в пробах оросительной воды.

Ранее разработанные методы обнаружения crAssphage, вирусных патогенов и FIB будут использоваться в отобранных пробах оросительной воды. Затем будет использован статистический анализ для определения корреляции между crAssphage, патогенами и существующими индикаторами.

  1. Определить предел обнаружения crAssphage.