If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Бактериофаги

Вируси, заразяващи бактериите. Литичният и лизогенният цикли.

Въведение

Дори и бактериите могат да се заразят с вируси! Вируси, които инфектират бактерии, се наричат бактериофаги. Някои от тях са много добре проучени чрез лабораторни експерименти, което ги прави едни от вирусите, които познаваме най-добре.
В тази статия ще разгледаме два различни начина, по които бактериофагите могат да заразят бактериална клетка гостоприемник:
  • Литичен цикъл: фагът инфектира бактерия и я "превзема", за да създаде нови фаги, след това убива бактериалната клетка, като я разрушава (лизира я).
  • Лизогенен цикъл: фагът инфектира бактерия и вмъква своята ДНК в бактериалната хромозома. Това позволява на ДНК на фага (на този етап, наричана профаг) да се копира и да се предаде в следващото поколение на гостоприемника.
Нека погледнем отблизо всеки един от тези цикли.

Бактериофагът е вирус, който инфектира бактерии

Бактериофаг, или за по-кратко фаг, е вирус, който инфектира бактерии. Подобно на други вируси, бактериофагите могат да имат различна форма и различен вид генетичен материал.
  • Геномът на бактериофагите може да бъде изграден от ДНК или от РНК, той може да съдържа от четири до няколко хиляди генаstart superscript, 1, comma, 2, comma, 3, end superscript.
  • Капсидът на бактериофагите може да е икосаедрален, пръчковиден или да се състои от глава и опашка. Структурата с глава и опашка е уникална за фагите и техните сродни вируси, тя не се среща при вируси, които заразяват еукариотни клеткиstart superscript, 4, comma, 5, end superscript.
    Икосаедрален фаг, фаг с глава и опашка, пръчковиден фаг.
    Фигура, модифицирана от "Кортиковирус," "T7likevirus," и "Inovirus от ViralZone/Швейцарски институт по биоинформатика, CC BY-NC 4.0.

Инфекции от бактериофаги

Бактериофагите, също като останалите вируси, трябва да инфектират клетка гостоприемник, за да се възпроизведат. Всички стъпки, от които се състои процесът на инфекция, образуват жизнения цикъл на фага.
Някои фаги се размножават само чрез литичен цикъл, т.е. те разрушават и убиват клетката си гостоприемник. Други фаги могат да редуват литичния и лизогенния цикъл, при лизогенния цикъл те не убиват клетката гостоприемник и генетичният им материал се копира заедно с ДНК на клетката гостоприемник всеки път, когато тя се раздели.
Да разгледаме отблизо тези два цикъла. Като пример ще вземем фага, наречен ламбда (lambda), който инфектира бактерията E. coli и може да редува литичен и лизогенен жизнен цикъл.

Литичен цикъл

При литичния цикъл фагът действа като типичен вирус, той "превзема" клетката гостоприемник и използва ресурсите ѝ за създаване на голям брой нови бактериофаги. Този процес води до лизирането (разрушаването) и смъртта на клетката.
  1. Прикрепяне: белтъците в опашката на фага се свързват със специфичен рецептор на повърхността на бактериалната клетка, в този случай - белтък, който транспортира захари.
  2. Проникване (пенетрация): фагът инжектира генома си, изграден от двойноверижна ДНК, в цитоплазмата на бактерията.
  3. Копиране на ДНК и синтез на белтъци: ДНК на фага се копира и гените му се експресират, за да се синтезират белтъци като тези, изграждащи капсида на фага.
  4. Формиране на нов фаг: от капсидните белтъци се образуват капсиди, които се запълват с ДНК. Така се формират нови бактериофаги.
  5. Лизиране: късно в литичния цикъл се експресират гени на фага, кодиращи белтъци, които пробиват дупки в клетъчната мембрана и клетъчната стена. Тези дупки позволяват да навлезе вода в клетката, в резултат на това клетката започва да се разширява и се пръска като балон, който сме препълнили с вода.
Разрушаването на клетката или лизирането освобождава хиляди нови фаги, които могат да открият и да инфектират други клетки гостоприемници в околността.
Фигура, модифицирана от "Конюгация" от Аденозин (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0. На основата на подобна фигура от Албертс и колеги.start superscript, 6, end superscript
Етапите на литичния цикъл са:
  1. Прикрепяне: белтъците в опашката на фага се свързват със специфичен рецептор на повърхността на бактериалната клетка, в този случай - белтък, който транспортира захари.
  2. Проникване (пенетрация): фагът инжектира генома си, изграден от двойноверижна ДНК, в цитоплазмата на бактерията.
  3. Копиране на ДНК и синтез на белтъци: ДНК на фага се копира и гените му се експресират, за да се синтезират белтъци като тези, изграждащи капсида на фага.
  4. Формиране на нов фаг: от капсидните белтъци се образуват капсиди, които се запълват с ДНК. Така се формират нови бактериофаги.
  5. Лизиране: късно в литичния цикъл се експресират гени на фага, кодиращи белтъци, които пробиват дупки в клетъчната мембрана и клетъчната стена. Тези дупки позволяват да навлезе вода в клетката, в резултат на това клетката започва да се разширява и се пръска като балон, който сме препълнили с вода.
Разрушаването на клетката или лизирането освобождава хиляди нови фаги, които могат да намерят и да инфектират други клетки гостоприемници в околността. По този начин само няколко цикъла на литична инфекция помагат на фага да се разпространи като пожар сред дадена бактериална популация.

Лизогенен цикъл

Чрез лизогенния цикъл бактериофагът се размножава без да убива гостоприемника си. Някои фаги използват само литичния цикъл, но фагът, който ние разглеждаме - ламбда (lambda), може да превключва между двата цикъла.
При лизогенния цикъл първите две стъпки (прикрепяне и инжектиране на ДНК) протичат по същия начин както при литичния цикъл. Въпреки това щом ДНК на фага се озове в клетката, тя не се копира веднага и не се експресира за създаване на белтъци. Вместо това тя се рекомбинира с определен регион от бактериалната хромозома. По този начин ДНК на фага се интегрира в хромозомата.
Лизогенен цикъл:
  1. Прикрепяне. Бактериофагът се свързва с бактериалната клетка.
  2. Проникване (пенетрация). Бактериофагът инжектира своята ДНК в бактериалната клетка.
  3. Интеграция. ДНК на фага се рекомбинира с бактериалната хромозома и се интегрира в хромозомата като профаг.
  4. Клетъчно делене. Всеки път, когато клетка, в която има профаг, се раздели, дъщерните ѝ клетки наследяват профага.
Фигура, модифицирана от "Конюгация" от Аденозин (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0. На основата на подобна фигура от Албертс и колеги.start superscript, 6, end superscript
Интегрираната ДНК на фага се нарича профаг, тя не е активна, гените ѝ не се експресират и не започва производство на нови фаги. Но всеки път, когато клетката гостоприемник се раздели, профагът се копира "безплатно" заедно с ДНК на гостоприемника. Лизогенният цикъл не е толкова "зрелищен" и "кървав", колкото литичния, но в крайна сметка той също дава възможност на фага да се размножи.
При правилните условия профагът може да се активира и да излезе от бактериалната хромозома, отключвайки останалите стъпки от литичния цикъл (копиране на ДНК, синтез на белтъци, формиране на нови фаги и лизиране).
  1. Профагът напуска хромозомата и се превръща в отделна пръстеновидна молекула ДНК.
  2. Литичният цикъл започва.
Фигура, модифицирана от "Конюгация" от Аденозин (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0.

Да лизирам или да не лизирам?

Как бактериофагът "решава" дали да влезе в литичен, или в лизогенен цикъл, когато инфектира бактериална клетка? Важен фактор за това е броят на фагите, които инфектират една и съща клетка по едно и също времеstart superscript, 9, end superscript. Колкото по-голям е броят на фагите, които коинфектират една и съща клетка, толкова по-голям е шансът инфекцията да използва лизогенен цикъл. Тази стратегия пречи на фагите да унищожат напълно гостоприемника си, отслабвайки атаката, когато съотношението на фаг към гостоприемник е прекалено голямоstart superscript, 10, end superscript.
Какво кара профага да излезе от хромозомата и да влезе в литичен цикъл? В лабораторни условия е установено, че фактори, които разрушават ДНК, като UV лъчи и химикали, реактивират повечето профаги в дадена популация. Но има и малка част профаги, които спонтанно навлизат в литичен цикъл, без наличието на подобни външни сигналиstart superscript, 7, comma, 11, end superscript.

Съпоставка на бактериофаги и антибиотици

Преди откриването на антибиотиците е имало много проучвания, които търсели начин за използване на бактериофаги за лечение на бактериални заболявания при хората. Бактериофагите атакуват само бактериите, които са техни гостоприемници, но не и човешките клетки. Това ги прави добри потенциални кандидати за лечение на бактериални заболявания при хората.
След откриването на антибиотиците идеята за използване на фаги до голяма степен е изоставена, особено в англоговорящите страни. Въпреки това фагите продължават да се използват за медицински цели в много страни, включително Русия, Грузия и Полшаstart superscript, 12, comma, 13, end superscript.
Интересът към връщането на фагите и на други места по света се повишава, тъй като резистентността на бактериите към антибиотици става все по-голям проблем. Необходими са още изследвания, за да разберем колко безопасни и ефективни са фагите, но кой знае? Възможно е един ден лекарите да започнат да предписват фаги вместо пеницилин!

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.