Viren und Bakteriophagen


Viren und Bakteriophagen


1. Wie unterscheiden sich Viren von anderen lebenden Organismen?
2. Welche Krankheiten können Viren verursachen?

Wie bereits erwähnt, sind Zellen die universelle Einheit des Lebens auf der Erde. Allerdings um die Wende des 19. und 20. Jahrhunderts. Es wurde festgestellt, dass es eine Reihe von Krankheiten bei Pflanzen, Tieren und Bakterien gibt, deren Erreger eindeutig nicht zellulärer Natur sind: Sie sind zu klein und durchlaufen die kleinsten Filter, die selbst die kleinsten Zellen enthalten. So wurden die Viren entdeckt.

Viruspartikel sind die kleinsten (20 bis 300 nm) symmetrischen Strukturen, die aus sich wiederholenden Elementen aufgebaut sind. Jedes Virus ist ein Nukleinsäureteilchen (DNA oder RNA), eingeschlossen in einer Proteinhülle, die als Kapsid bezeichnet wird. Viren sind nicht zu einer unabhängigen Lebensaktivität fähig: Sie können die Eigenschaften eines Lebewesens nur dadurch manifestieren, dass sie eine Zelle durchdringen und ihre Struktur und Energie für ihre Bedürfnisse verwenden. Viren sind also intrazelluläre Parasiten. Einige Viren, wie Influenzavirus oder Herpes, die die Wirtszelle verlassen, fangen einen Teil der Zellmembran ein und bilden eine zusätzliche Membran darüber auf ihrem Kapsid.

Normalerweise bindet sich das Virus an die Oberfläche der Wirtszelle und dringt in das Innere ein. Gleichzeitig sucht jedes Virus genau nach seinem "eigenen" Wirt, d. H. Nach einer Zelle eines streng spezifischen Typs. Also, das Virus - der Erreger der Hepatitis, ansonsten Ikterus genannt - durchdringt und vermehrt sich nur in den Leberzellen und das Virus der Mumps, in der Volkssprache Mumps, nur in den Zellen der Ohrspeicheldrüsen der Person.

Nachdem die virale DNA oder RNA in die Wirtszelle eingedrungen ist, interagiert sie mit dem genetischen Wirtsapparat derart, dass die Zelle unwissentlich beginnt, spezifische Proteine ​​zu synthetisieren, die in der viralen Nukleinsäure codiert sind.

Letzteres wird auch repliziert, und der Zusammenbau neuer Viruspartikel beginnt im Zytoplasma der Zelle. Eine Zelle, die mit Viren infiziert ist, kann buchstäblich "platzen", und eine große Anzahl von Viruspartikeln wird herauskommen, aber manchmal werden Viren nach und nach aus der Zelle freigesetzt, und die infizierte Zelle lebt lange Zeit.

Bei Infektion mit dem Human Immunodeficiency Virus (HIV) repliziert sich die RNA des Virus zusammen mit der RNA der Zelle. Gleichzeitig bleibt eine Person für eine Weile gesund. Aber dann wird das Virus aktiviert und eine tödliche Krankheit entwickelt - AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome). Viren sind die Erreger einer großen Anzahl menschlicher Krankheiten: Pocken, Masern, Influenza, Röteln, Tollwut, Enzephalitis usw. Eine Vielzahl von durch Viren verursachten Pflanzenkrankheiten ist ebenfalls bekannt, wie beispielsweise die Mosaikkrankheit von Tabak, Tomaten, Gurken oder Kartoffelblättriger. Es werden insgesamt etwa 500 Virusarten, die Wirbeltierzellen infizieren, und etwa 300 Pflanzenviren beschrieben. Einige Viren sind an der malignen Entartung von Zellen beteiligt und provozieren dadurch Krebs.

Eine besondere Gruppe von Viren sind Bakteriophagen oder einfach Phagen, die Bakterienzellen infizieren. Der Phage stärkt auf der Oberfläche des Bakteriums mit Hilfe spezieller "Beine" und führt einen hohlen Stab in sein Zytoplasma ein, durch den er wie eine Nadel einer Spritze seine DNA oder RNA in die Zelle drückt. So gelangt das genetische Material des Phagen in die Bakterienzelle und das Kapsid bleibt draußen. Im Zytoplasma beginnt die Replikation des genetischen Materials des Phagen, die Synthese seiner Proteine, der Aufbau eines Kapsids und der Aufbau neuer Phagen. Innerhalb von 10 Minuten nach der Infektion bilden sich neue Phagen in den Bakterien, und nach einer halben Stunde ist die Bakterienzelle zerstört, und etwa 200 neu gebildete Phagenviren, die andere Bakterienzellen infizieren können, treten daraus aus. Einige Phagen werden vom Menschen zur Bekämpfung pathogener Bakterien eingesetzt, zum Beispiel Bakterien, die Cholera, Dysenterie oder Typhus verursachen.

1. Können Viren als besondere Lebensform betrachtet werden?
2. Wie ist die Struktur von Viren? Wie unterscheiden sie sich von anderen lebenden Organismen?
3. Wie vermehren sich Viren?
4. Welche Viren werden Bakteriophagen genannt?
5. Welche Annahmen können über die Herkunft von Viren getroffen werden?

Manchmal, wenn das virale Genom reproduziert wird, dringt ein Teil des Wirtsgenoms in das Genom ein (dies ist auf den speziellen Mechanismus der viralen DNA- oder RNA-Replikation zurückzuführen). Wenn andere Zellen infiziert werden, bringen modifizierte Viren dann die Gene der vorherigen Wirtszelle in diese Zellen.

So können einige Viren Gene von einer Zelle in eine andere übertragen. Dies erklärt den häufigen Einsatz von Viren in der Gentechnik.

Der Ursprung der Viren ist immer noch ein Rätsel. Die Tatsache, dass sie alle intrazelluläre Parasiten sind und außerhalb der Zelle nicht die Eigenschaften von Lebewesen haben, legt nahe, dass ihre entfernten Vorfahren parasitische Prokaryoten waren und dann aufgrund ihres Lebensstils alle Systeme außer dem genetischen Apparat verloren haben.

Der Name des Virus (aus dem Lateinischen. Virus - d. H. Gift) wurde 1895 vom niederländischen Botaniker Martin Beierinck vorgeschlagen, der Pflanzenkrankheiten untersuchte, die durch Viren verursacht wurden.

A. Kamensky, E. V. Kriksunov, V. Pasechnik V. V. Biologie Grad 10
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Bakteriophagen

Einleitung

Bakteriophagen (Phagen) (aus dem Altgriechischen φᾰγω - "Verschlingen") sind Viren, die selektiv Bakterienzellen infizieren. Meistens vermehren sich Bakteriophagen innerhalb von Bakterien und verursachen deren Lyse. In der Regel besteht ein Bakteriophage aus einer Proteinhülle und dem genetischen Material aus einzelsträngiger oder doppelsträngiger Nukleinsäure (DNA oder seltener RNA). Die Teilchengröße beträgt etwa 20 bis 200 nm.

1. Geschichte

Der englische Bakteriologe Tuort, Frederick, beschrieb 1915 in einem Artikel eine Infektionskrankheit von Staphylokokken, einen Infektionserreger, der durch Filter geleitet wurde, und konnte von einer Kolonie auf eine andere übertragen werden.

Unabhängig von Frederick Tours, dem französisch-kanadischen Mikrobiologen D'Erel, kündigte Felix am 3. September 1917 die Entdeckung von Bakteriophagen an. Daneben ist bekannt, dass der russische Mikrobiologe Gamaleya, Nikolai Fedorovich, bereits 1898 das Phänomen der Lyse von Bakterien (Anthrax bacillus) unter dem Einfluss eines transplantierbaren Mittels beobachtete [1] [2].

Nach der Entdeckung der Phänomene des Bakteriophagen entwickelte D’Erell die Theorie, dass Bakteriophagen pathogener Bakterien als Parasiten eine große Rolle bei der Pathogenese von Infektionen spielen, die Wiederherstellung des erkrankten Organismus sicherstellen und dann eine spezifische Immunität erzeugen. Diese Position hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf das Phänomen der Bakteriophagen gelenkt, die angaben, dass Phagen ein wichtiges Mittel zur Bekämpfung der gefährlichsten Infektionskrankheiten von Mensch und Tier enthalten sollten.

Felix D'Erel meinte auch, dass Bakteriophagen in der Natur korpuskulär sind. Erst nach der Erfindung des Elektronenmikroskops war es jedoch möglich, die Ultrastruktur von Phagen zu sehen und zu untersuchen. Vorstellungen über die Morphologie und die Hauptmerkmale von Phagen beruhten lange Zeit auf den Ergebnissen der Untersuchung der T-Gruppen-Phagen - T1, T2,..., T7, die auf dem E. coli-Stamm B züchten. Allerdings erschienen jedes Jahr neue Daten zur Morphologie und Struktur verschiedener Phagen. was ihre morphologische Einordnung erforderte.

2. Die Rolle von Bakteriophagen in der Biosphäre

Bakteriophagen sind in der Biosphäre am weitesten verbreitet und vermutlich die evolutionär älteste Gruppe von Viren [3] [4]. Die ungefähre Populationsgröße von Phagen beträgt mehr als 10 30 Phagenpartikel [5].

Unter natürlichen Bedingungen werden Phagen an Orten gefunden, an denen Bakterien empfindlich sind. Je reicher dieses oder jenes Substrat (Boden, Ausscheidungen von Menschen und Tieren, Wasser usw.) durch Mikroorganismen ist, desto mehr finden sich die entsprechenden Phagen darin. Phagen, die Zellen aller Arten von Bodenmikroorganismen lysieren, befinden sich also im Boden. Besonders reich an Phagen von Chernozem und Boden, in denen organische Dünger ausgebracht werden.

Bakteriophagen spielen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Anzahl der Mikrobenpopulationen, bei der Autolyse von alternden Zellen, beim Transfer bakterieller Gene, die als Vektor- "Systeme" fungieren [6].

Tatsächlich stellen Bakteriophagen eines der wichtigsten beweglichen genetischen Elemente dar. Durch die Transduktion bringen sie neue Gene in das bakterielle Genom ein. Es wurde geschätzt, dass 10 24 Bakterien in einer Sekunde infiziert werden können [7]. Dies bedeutet, dass der ständige Transfer von genetischem Material auf Bakterien unter ähnlichen Bedingungen verteilt wird.

Der hohe Spezialisierungsgrad, die langfristige Existenz und die Fähigkeit, sich schnell im geeigneten Wirt zu reproduzieren, trägt zu ihrer Erhaltung in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen einer großen Vielfalt von Bakterienarten in jedem natürlichen Ökosystem bei. Wenn ein geeigneter Wirt nicht vorhanden ist, können viele Phagen die Fähigkeit zur Infektion behalten, wenn sie nicht durch extreme Substanzen oder Umweltbedingungen zerstört werden [8].

3. Die Struktur von Bakteriophagen

Bakteriophagen unterscheiden sich in der chemischen Struktur, dem Typ der Nukleinsäure, der Morphologie und der Art der Wechselwirkung mit Bakterien. Nach Größe sind bakterielle Viren hunderte und tausende Male kleiner als Mikrobenzellen.

Ein typisches Phagenpartikel (Virion) besteht aus einem Kopf und einem Schwanz. Die Schwanzlänge beträgt normalerweise das 2- bis 4-fache des Durchmessers des Kopfes. Der Kopf enthält genetisches Material - einzelsträngige oder doppelsträngige RNA oder DNA mit einem Enzymtranskriptase in einem inaktiven Zustand, umgeben von einer Protein- oder Lipoproteinhülle - einem Kapsid, das das Gen außerhalb der Zelle speichert [8] [9].

Nukleinsäure und Kapsid bilden zusammen das Nukleokapsid. Bakteriophagen können ein ikosaedrisches Capsid aufweisen, das aus mehreren Kopien von einem oder zwei spezifischen Proteinen zusammengesetzt ist. Normalerweise bestehen Winkel aus Proteinpentameren, und jede Seite wird von Hexameren des gleichen oder eines ähnlichen Proteins unterstützt. Darüber hinaus können die Phagen in ihrer Form sphärisch, limoniform oder pleomorph sein [10]. Der Schwanz ist eine Proteinröhre - eine Fortsetzung der Proteinhülle des Kopfes, an der Basis des Schwanzes befindet sich eine ATPase, die Energie für die Injektion von genetischem Material regeneriert. Es gibt auch Bakteriophagen mit einem kurzen Prozess, ohne Prozess und filamentös [11].

Phagen sind wie alle Viren absolute intrazelluläre Parasiten. Obwohl sie alle Informationen enthalten, um ihre eigene Fortpflanzung in dem entsprechenden Wirt zu starten, fehlen ihnen die Mechanismen zur Erzeugung von Energie und das Ribosom für die Proteinsynthese. Einige Phagen im Genom enthalten mehrere tausend Basen, während der Phage G, der größte der sequenzierten Phagen, 480.000 Basenpaare enthält - das Doppelte des Durchschnittswerts für Bakterien, obwohl für die wichtigsten bakteriellen Organoiden wie Ribosomen immer noch nicht genügend Gene vorhanden sind [8].

4. Systematik der Bakteriophagen

Eine große Anzahl von isolierten und untersuchten Bakteriophagen bestimmt die Notwendigkeit ihrer Systematisierung. Die Klassifizierung der Bakterienviren wurde verändert: Sie basierte auf den Eigenschaften des Wirtsvirus, die serologischen und morphologischen Eigenschaften wurden berücksichtigt und anschließend die Struktur und die physikalisch-chemische Zusammensetzung des Virions [12].

Derzeit werden gemäß der internationalen Klassifikation und Nomenklatur von Viren Bakteriophagen in Abhängigkeit von der Art der Nukleinsäure in DNA und RNA enthaltende unterteilt.

Entsprechend den morphologischen Eigenschaften werden DNA-enthaltende Phagen in die folgenden Familien unterteilt: Myoviridae, Siphoviridae, Podoviridae, Lipothrixviaeae, Plasmaviridae, Corticoviridae, Fuselloviridae, Tectiviridae, Microviridae, Inoviridae Plectovirus und Inoviridae

RNA-haltige: Cystoviridae, Leviviridae [13].

5. Die Wechselwirkung von Bakteriophagen mit Bakterienzellen

Durch die Art der Wechselwirkung eines Bakteriophagen mit einer Bakterienzelle werden virulente und moderate Phagen unterschieden [11]. Virulente Phagen können nur durch den lytischen Zyklus an Menge zunehmen [8]. Die Interaktion eines virulenten Bakteriophagen mit einer Zelle besteht aus mehreren Stufen: Adsorption von Bakteriophagen an der Zelle, Eindringen in die Zelle, Biosynthese von Phagenkomponenten und deren Anordnung, Freisetzung von Bakteriophagen aus der Zelle [7] [14].

Zunächst binden Bakteriophagen an phagospezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Bakterienzelle. Der Schwanz des Phagen löst mit Hilfe von an seinem Ende befindlichen Enzymen (hauptsächlich Lysozym) lokal die Zellmembran auf, zieht sich zusammen und die im Kopf enthaltene DNA wird in die Zelle injiziert, während die Proteinmembran des Bakteriophagen draußen bleibt. Injizierte DNA bewirkt eine vollständige Reorganisation des Zellmetabolismus: Die Synthese von bakterieller DNA, RNA und Proteinen hört auf. Die Transkription der Bakteriophagen-DNA beginnt mit einem eigenen Transkriptase-Enzym, das nach Eintritt in die Bakterienzelle aktiviert wird. Zuerst werden früh und dann spät mRNA synthetisiert, die in die Wirtszell-Ribosomen gelangen, wo früh (DNA-Polymerasen, Nucleasen) und spät (Capsid- und Tail-Prozess-Proteine, Lysozym-, ATPase- und Transkriptase-Enzyme) Bakteriophagenproteine ​​synthetisiert werden. Die Replikation von Bakteriophagen-DNA erfolgt über einen halbkonservativen Mechanismus und wird unter Beteiligung eigener DNA-Polymerasen durchgeführt. Nach der Synthese von späten Proteinen und dem Abschluss der DNA-Replikation beginnt der letzte Prozess - die Reifung von Phagenpartikeln oder die Kombination von Phagen-DNA mit dem Hüllprotein und die Bildung von reifen infektiösen Phagenpartikeln [15].

Die Dauer dieses Prozesses kann von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden reichen [8]. Dann kommt es zur Zelllyse und es werden neue reife Bakteriophagen freigesetzt [11]. Manchmal initiiert der Phage einen Lysezyklus, der zur Zelllyse und zur Freisetzung neuer Phagen führt. Alternativ kann der Phage einen lysogenen Zyklus initiieren, in dem er anstelle der Replikation reversibel mit dem genetischen System der Wirtszelle interagiert, sich in das Chromosom integriert oder als Plasmid verbleibt [8]. Somit wird das virale Genom synchron mit der Wirts-DNA und der Zellteilung repliziert, und dieser Zustand des Phagen wird als Prophage bezeichnet. Das Bakterium, das den Prophagen enthält, wird lysogen, bis unter bestimmten Bedingungen oder spontan der Prophet nicht dazu angeregt wird, den Lyse-Replikationszyklus durchzuführen. Der Übergang von der Lysogenese zur Lyse wird als lysogene Induktion oder prophagöse Induktion bezeichnet. Die Phageninduktion wird stark durch den Zustand der Wirtszelle vor der Induktion sowie durch das Vorhandensein von Nährstoffen und anderen Zuständen beeinflusst, die zum Zeitpunkt der Induktion auftreten. Schlechte Wachstumsbedingungen begünstigen den lysogenen Weg, während gute Bedingungen die Lyse-Reaktion begünstigen [8, 11, 15].

Eine sehr wichtige Eigenschaft von Bakteriophagen ist ihre Spezifität: Bakteriophagen lysieren Kulturen einer bestimmten Spezies, außerdem gibt es sogenannte typische Bakteriophagen, die Varianten innerhalb einer Spezies lysieren, obwohl es polyvalente Bakteriophagen gibt, die in Bakterien verschiedener Spezies parasitieren [16] [17].

6. Lebenszyklus

Moderate und virulente Bakteriophagen in den Anfangsstadien der Interaktion mit einer Bakterienzelle haben den gleichen Zyklus.

  • Adsorption von Bakteriophagen an Phagenspezifische Zellrezeptoren.
  • Injektion von Phagenukleinsäure in die Wirtszelle.
  • Gemeinsame Replikation von Phagen und bakterieller Nukleinsäure.
  • Zellteilung
  • Als nächstes kann sich ein Bakteriophage in zwei Modellen entwickeln: dem lysogenen oder lytischen Weg. Moderate Bakteriophagen nach Zellteilung befinden sich in einem prophagischen Zustand (lysogener Weg). Virulente Bakteriophagen entwickeln sich nach dem Lytic-Modell:
  • Die Phagenukleinsäure steuert die Synthese von Phagenenzymen unter Verwendung von Bakteriensyntheseapparaturen. Der Phage inaktiviert in gewisser Weise die Wirts-DNA und -RNA, und die Phagenenzyme bauen sie vollständig ab. RNA-Phagen "unterstellt" die zelluläre Maschinerie der Proteinsynthese.
  • Phagenukleinsäure repliziert und steuert die Synthese neuer Hüllproteine. Neue Phagenpartikel entstehen durch spontane Selbstorganisation der Proteinhülle (Kapsid) um die Phagenukleinsäure; Unter der Kontrolle von RNA wird der Phage durch Lysozym synthetisiert.
  • Zelllyse: die Zelle platzt unter dem Einfluss von Lysozym; Es werden etwa 200–1000 neue Phagen veröffentlicht. Phagen infizieren andere Bakterien.

7. Anwendung

7.1. In der Medizin

Ein Anwendungsgebiet von Bakteriophagen ist die Antibiotika-Therapie, eine Alternative zu Antibiotika. Zum Beispiel werden Bakteriophagen verwendet: Streptokokken, Staphylokokken, klebsiellozny, dysenterisch polyvalent, Pyobacteriophagen, wenn, Proteic und Coloprotein und andere.

Bakteriophagen werden auch in der Gentechnik als Vektoren verwendet, die Teile der DNA tragen, und ein natürlicher Transfer von Genen zwischen Bakterien durch einige Phagen (Transduktion) ist ebenfalls möglich.

Phagenvektoren werden üblicherweise auf der Basis eines moderaten Bakteriophagen λ erzeugt, der ein doppelsträngiges lineares DNA-Molekül enthält. Die linke und die rechte Schulter des Phagen haben alle Gene, die für den Lysezyklus erforderlich sind (Replikation, Reproduktion). Der mittlere Teil des Bakteriophagengenoms λ (enthält Gene, die die Lysogenie kontrollieren, d. H. Seine Integration in die DNA der Bakterienzelle) ist für seine Reproduktion nicht wesentlich und beträgt etwa 25.000 Basenpaare. Dieser Teil kann durch ein fremdes DNA-Fragment ersetzt werden. Solche modifizierten Phagen durchlaufen einen lytischen Zyklus, aber es findet keine Lysogenese statt. Vektoren auf Bakteriophage-A-Basis werden verwendet, um eukaryotische DNA-Fragmente (d. H. Größere Gene) mit einer Größe von bis zu 23 kb zu klonieren. Darüber hinaus entwickeln Phagen ohne Inserts - weniger als 38 kb oder im Gegenteil mit zu großen Inserts - mehr als 52 kb, keine Bakterien und infizieren diese nicht [18].

7.2. In der Biologie

Bakteriophagen M13, Phage T4, T7 und Phage λ werden verwendet, um Protein-Protein-, Protein-Peptid- und DNA-Protein-Wechselwirkungen nach der Methode der Phagendisplay zu untersuchen.

Da die Vermehrung von Bakteriophagen nur in lebenden Zellen möglich ist, können Bakteriophagen zur Bestimmung der Lebensfähigkeit von Bakterien verwendet werden. Diese Richtung hat große Perspektiven, denn eines der Hauptthemen in verschiedenen biotechnologischen Prozessen ist die Bestimmung der Lebensfähigkeit der verwendeten Kulturen. Mit der Methode der elektrooptischen Analyse von Zellsuspensionen konnte gezeigt werden, dass Phagen-Mikrobenzell-Interaktionsstufen untersucht werden können [19].

Bericht: Bakteriophagen

Bakteriophagen sind Viren, die in Bakterien leben.

Bakteriophagen (von Bakterien und Griechen. Phagos - Esser; buchstäblich - Bakterienesser), Phagen, bakterielle Viren, die die Zerstörung (Lyse) von Bakterien und anderen Mikroorganismen verursachen. Bakteriophagen vermehren sich in Zellen, lysieren sie und gelangen in der Regel in junge, wachsende Zellen. Zum ersten Mal wurde 1898 vom russischen Mikrobiologen NF Gamaleya die kontinuierliche Lyse von Bakterien (Milzbrandbazillus) beobachtet. 1915 beschrieb der englische Wissenschaftler F. Tuort das gleiche Phänomen in eitrigem Staphylokokkus, und 1917 rief der französische Wissenschaftler F. D'Erell das lysierende Mittel an, das die Bakterienfilter durchlief.

Struktur und chemische Zusammensetzung. Viele Bakteriophagenpartikel bestehen aus einem runden, sechseckigen oder stabförmigen Kopf mit einem Durchmesser von 45–140 nm und einem Prozess mit einer Dicke von 10–40 mm und einer Länge von 100–200 nm. Andere Bakteriophagen haben keine Prozesse; einige von ihnen sind rund, andere sind filiform und haben eine Größe von 8 x 800 nm. Der Kopfinhalt besteht hauptsächlich aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) (seine Länge ist um ein Vielfaches größer als die Kopfgröße und erreicht 60–70 µm, dieser Faden ist im Kopf fest verdreht) oder Ribonukleinsäure (RNA) und eine geringe Menge (etwa 3%) Protein und einige andere Substanzen. Der Anhang hat die Form einer hohlen Röhre, die von einer Hülle umgeben ist, die kontraktile Proteine ​​wie Muskeln enthält. Eine Reihe von Bakteriophagen bedeckt den Schrumpfbereich, wodurch ein Teil der Stange freigelegt wird. Am Ende des Prozesses weisen viele Bakteriophagen eine Grundplatte mit mehreren Styloiden oder anderen Vorsprüngen auf. Dünne lange Fäden lösen sich von der Platte, was zur Befestigung des Phagen an die Bakterien beiträgt. Die Schalen von Kopf und Blinddarm bestehen aus Proteinen. Die Gesamtmenge an Protein im Phagenpartikel beträgt 50 bis 60%, die Nukleinsäuren 40 bis 50%. Jeder Bakteriophage hat spezifische antigene Eigenschaften, die sich vom Wirtsbakterium und anderen Phagenantigenen unterscheiden. Es gibt Antigene, die einer Anzahl von Phagen gemeinsam sind (insbesondere solche, die RNA enthalten).

Verbreitung Bakteriophagen wurden für die meisten Bakterien gefunden, einschließlich pathogener und saprophytischer Bakterien sowie für Actinomyceten (Actinophagen) und blaugrüne Algen. Bakteriophagen kommen im Darm von Menschen und Tieren, in Pflanzen, Böden, Gewässern, Abwässern, Dung etc. vor. Bakteriophagen von Bodenmikroorganismen beeinflussen den Ablauf mikrobiologischer Prozesse im Boden.

Reproduktion. Der Bakteriophage ist an seinem Anhang an die Bakterienzelle gebunden und löst das Zellsekret aus, indem er das Enzym sekretiert. dann durchläuft der Inhalt seines Kopfes den Kanadenspross im Inneren der Zelle, wo unter dem Einfluss der Phagenukleinsäure die Synthese von Bakterienproteinen, DNA und RNA und die Synthese der Nukleinsäure und dann die Phagenproteine ​​beginnen. Einige dieser Proteine ​​sind Enzyme, ein anderer Teil bildet die Membran der reifen Bakteriophagenpartikel. Kleinere kugelförmige Phagen gelangen ohne Beteiligung eines Prozesses in Bakterien. Wenn eine Bakterienzelle gleichzeitig mit Bakteriophagenpartikeln infiziert wird, die sich in einer Reihe von Eigenschaften unterscheiden, dann gibt es unter den Nachkommen zusätzlich zu Partikeln wie Eltern auch solche, bei denen diese Eigenschaften in einer neuen Kombination gefunden werden, weil sich der Bakteriophage vermehrt

Rekombination - der Austausch von Stücken von Nukleinsäuresträngen, der Träger von Erbinformationen ist. Partikel großer Phagen entstehen aus den Bakterien, zerstören sie und einige kleine und filamentöse - aus lebenden Bakterien. Einige Bakteriophagen sind sehr spezifisch und können Zellen von nur einem Typ von Mikroorganismus (Monophagen) lysieren, andere wiederum sind Zellen verschiedener Typen (Polyphagen).

Bakteriophagen werden in virulente, Lyse verursachende Zellen mit der Bildung neuer Partikel und moderate (symbiotische) Zellen unterteilt, die von der Zelle adsorbiert werden und in diese eindringen, aber keine Lyse verursachen, sondern in latenter (versteckter) nicht infektiöser Form (Prophage) in der Zelle verbleiben. Latent Phagen enthaltende Kulturen werden als lysogen bezeichnet. Die Lysogenie wird auf die Nachkommen der Bakterien übertragen. Lysogene Kultur kann 2–3 oder mehr Phagen enthalten; In der Regel ist es resistent gegen die darin enthaltenen Phagen (nur ein kleiner Teil der Zellen lysiert und setzt die reifen Phagen frei). Durch die Beeinflussung der lysogenen Kultur mit Ultraviolett- oder Röntgenstrahlen, Wasserstoffperoxid und einigen anderen Substanzen ist es möglich, die Anzahl der Zellen, die Phagen freisetzen, signifikant zu erhöhen (die sogenannte Bakteriophagen-Induktion). Die Lysogenie ist unter allen Arten von Bakterien und Actinomyceten verbreitet. In manchen Fällen hängen viele Eigenschaften einer lysogenen Kultur (Toxizität, Mobilität von Bakterien usw.) von der Anwesenheit bestimmter Propheten ab. Viele Bakteriophagen-Mutationen wurden beschrieben, begleitet von einer Änderung ihrer lytischen Aktivität, der Struktur von Partikeln und "Kolonien", der Resistenz gegen unerwünschte Wirkungen und anderer Eigenschaften. Bakteriophagen spielen eine große Rolle bei der Variabilität und Entwicklung von Mikroben, und ihre Wirkungsmechanismen auf die Zelle sind unterschiedlich. Bakteriophagen können die Stickstofffixierungsfähigkeit von Azotobacter, die Toxizität und die antigenen Eigenschaften pathogener Bakterien usw. drastisch verändern.

Bakteriophagen in der Praxis Einige Phagen (allein oder in Kombination mit Antibiotika) wurden zur Vorbeugung (Phagenprophylaxe) und zur Behandlung (Phagentherapie) einer Reihe von bakteriellen Infektionskrankheiten beim Menschen (Dysenterie, Typhus, Cholera, Pest, Staphylokokkeninfektionen und anaerobe Infektionen usw.) und Tieren eingesetzt. Antibiotika und andere Chemotherapeutika erwiesen sich jedoch als wirksamer als Phagen, und daher hat sich ihre Verwendung für therapeutische Zwecke verringert. Bakteriophagen werden erfolgreich zur Bestimmung der Art von Bakterien, Actinomyceten, verwendet. Bakteriophagen können die Produktion von Antibiotika, Aminosäuren, Milchprodukten, bakteriellen Düngemitteln und in anderen Bereichen der mikrobiologischen Synthese beeinträchtigen. Die Bedeutung von Bakteriophagen für theoretische Arbeiten zur Genetik und Molekularbiologie.

Virus-Bakteriophagen-Bericht

Hinzugefügt: 08/09/2012. Geliefert: 2012. Seiten: 17. Einzigartigkeit auf antiplagiat.ru: Es gibt andere Lebensformen. Dies sind Viren, die keine Zellstruktur haben. Sie stellen eine Übergangsform zwischen unbelebter und lebendiger Materie dar.

Jedes Viruspartikel besteht aus RNA oder DNA, eingeschlossen in einer Proteinhülle, die als Capsid bezeichnet wird. Ein vollständig gebildetes infektiöses Teilchen wird Virion genannt. Eine solche Einheit (Capsid + + Nukleinsäure = Nukleocapsid) kann „nackt“ sein und ist in anderen Fällen von einer Hülle umgeben (Anhang 1, Abb. 4.2 und 4.3). Nackte Nukleocapside sind beispielsweise Partikel des Tabakmosaikvirus, Warzen verursachende Viren und Adenovirus. Eine zusätzliche Hülle umgibt die Grippe- und Herpesviren.
Capsid besteht wiederum aus Untereinheiten - Kapsomeren. Er hat oft eine symmetrische Struktur. Es gibt zwei Arten von Symmetrie - spiralförmig und kubisch. In tab. 4.1 (Anlage 1) Verschiedene Viren werden nach ihrer Struktur gruppiert. Im Folgenden werden vier Viren, die als Pathogene bekannt sind, betrachtet: zwei Viren mit spiralförmiger Symmetrie, einer davon mit nackten Partikeln (Tabakmosaikvirus) und einer mit zusätzlicher Hülle (Influenzavirus), und zwei Arten von Viren mit kubischer Symmetrie - mit nackten Partikeln (Polio-Virus und andere polyedrische Viren) und mit dem Umschlag (Herpes-Virus).

      Tabakmosaikvirus
Dies ist ein typisches Beispiel für einen Virus mit einer Spiralsymmetrie. Es ist leicht zu unterscheiden von dem gepressten Saft infizierter Pflanzen. Die Partikel sind Stäbchen mit einer Dicke von 18 nm (Anhang 2, Abb. 4.4, A). Dieses stabförmige Nukleokapsid besteht aus etwa 2.100 Kapsomeren. Sie befinden sich entlang einer Helix und bilden einen Hohlzylinder. Jedes Capsomer besteht aus einer Polypeptidkette (158 Aminosäuren, deren Sequenz bestimmt wird). In der Wand des Hohlzylinders zwischen den Kapsomeren befindet sich eine RNA-Kette, die ebenfalls einer Helix folgt (Anhang 2, Abb. 4.4, B).

      Grippevirus
Influenzaviruspartikel haben einen Durchmesser von 80–120 nm (Anhang 3, Abb. 4.5, A). Nucleocapsid hat wie das Tabakmosaikvirus eine spiralförmige Struktur, ist aber nicht stabförmig, sondern wiederholt verdreht (Anhang 3, Abb. 4.5, B). Das Nukleocapsid ist von einer Hülle umgeben - einem Fragment der Membran der Wirtszelle, aus der das Virion hervorgegangen ist. Die Hülle hat an der Außenseite Spitzen, die dazu dienen, das Virion auf der Oberfläche einer neuen Wirtszelle zu adsorbieren und Mucoproteine ​​und das Neuraminidase-Enzym zu enthalten. Dieses Enzym entfernt eine Komponente aus den Mukoproteinen einer infizierten Zelle, N-Acetylneuraminsäure, und spielt offenbar eine gewisse Rolle bei der Verdünnung von Schleim, der die Epithelzellen des Nasopharynx bedeckt. Die Virusvermehrung erfolgt in den Zellen. Die Freisetzung des Virions ähnelt dem Knospungsprozess.
Es gibt viele verschiedene Arten von Grippeviren. Welche Art von Gewebe das Virus beeinflussen wird, hängt von der Spezifität des Virus in Bezug auf Wirtszellen und den Rezeptoreigenschaften der Zellen ab. Ein Virus kann eine Störung des Zellstoffwechsels oder sogar den Zelltod verursachen. Darüber hinaus wirkt es als Antigen und stimuliert die Bildung von Antikörpern im Wirt. Viren, die für große Influenza-Epidemien verantwortlich sind, unterscheiden sich in ihrer Virulenz und Pathogenität.

      Polyedrische Viren ohne äußere Hülle
Viele Viren, die scheinbar kugelförmig sind, haben tatsächlich die Form eines Polyeders. Am häufigsten ist es das Ikosaeder (dvadtsatigrannik) - ein Körper, der durch 20 gleichseitige Dreiecke begrenzt ist und 12 Ecken hat (Anhang 3, Abb. 4.5, B und 4.6). Das Kapsid des ikosaedrischen Virus besteht aus zwei Arten von Kapsomeren: An der Spitze befinden sich Peptonen, die aus fünf Proteinmonomeren (Protomeren) bestehen; Die verbleibende Fläche der Flächen und Kanten wird durch Sechseckchen gebildet, die aus sechs Protomeren bestehen. Die Konstruktion eines Kapsids aus Kapsomeren folgt den Gesetzen der Kristallographie. Dementsprechend sollte das kleinste ikosaedrische Kapsid aus 12 Pentonen bestehen, das nächstgrößere - aus 12 Pentonen und 20 Hexonen. Es gibt Viren aus 252 und sogar 812 Kapsomeren.
Nach dem Ikosaeder-Prinzip wurden viele Viren aufgebaut: Poliomyelitis-Viren, Maul- und Klauenseuche, Adenoviren (Anhang 3, Abb. 4.5).
Die Tatsache, dass ein virales Capsid aus einer großen Anzahl identischer Untereinheiten besteht, wird deutlich, wenn wir berücksichtigen, dass die Menge an Nukleinsäuren in vielen Viren sehr gering ist. DNA- oder RNA-Ketten sind so kurz, dass die Informationen, die sie enthalten, ausreichen, um nur wenige Polypeptidketten zu codieren, von denen die meisten enzymatische Funktionen erfüllen, wenn sich das Virus innerhalb der Wirtszelle vermehrt. Das Prinzip des Aufbaus eines Kapsids vieler identischer Untereinheiten gewährleistet eine maximale Wirkung bei einem Minimum an genetischem Material.

      Überschätzte polyedrische Viren
Ikosaeder, umgeben von einer Muschel - dies ist die Form von Varicella-Zoster-Erregern, Herpes Zoster und Herpes Simplex.
Das ikosaedrische Herpesvirus-Kapsid besteht aus 162 Kapsomeren. Zweifellos wird die äußere Hülle aus der inneren Kernmembran der Wirtszelle gebildet. Herpesviren vermehren sich in Zellkernen; Die Kapsiden der Viruspartikel sind in eine Membran der Kernmembran gekleidet, sprudeln aus dem Kern heraus und werden durch das System des endoplasmatischen Retikulums (intrazelluläres Organoid einer eukaryontischen Zelle, das ein verzweigtes System aus verdickten Hohlräumen, Vesikeln und Tubuli ist, die von einer Membran umgeben sind) herausgeführt.
Windpocken sind eine relativ milde Kinderkrankheit. Das Virus infiziert die oberen Atemwege, wird durch Blut im ganzen Körper verteilt und verursacht in der Haut eine Blasenbildung. Gürtelrose tritt bei teilweise immunen Individuen auf; Sie resultiert aus der Reaktivierung des Varicella-Zoster-Virus. Somit werden beide Krankheiten vom gleichen Virus verursacht.

      Pockenviren
Die Pockenviren sind die größten zoopathogenen Viren. Ihre Partikel sind völlig anders als die oben beschriebenen vier Virentypen. Sie enthalten DNA, Protein und verschiedene Lipide, weil sie manchmal als komplexe Virionen bezeichnet werden (Anhang 1, Tabelle 4.1). Die Partikel des Variolavirus (Variola) und des Vaccinia-Virus (Vaccinia) haben die Form gerundeter Blöcke. Sie bestehen aus einem inneren Körper, der doppelsträngige DNA enthält, einer Doppelschicht, die ein Protein enthält, einem elliptischen Proteinkörper und einer äußeren Membran. Der Faden ist eng aneinander gewickelt. Diese Viruspartikel sind sehr resistent gegen Austrocknung und daher extrem ansteckend. Pocken können nur Menschen und Affen erkranken. Das Kuhpockenvirus kann auch Kühe, Kaninchen und Schafe befallen. Beide Viren haben gemeinsame Antigene. Daher werden die Menschen vorbeugend mit Kuhpockenvirus geimpft, das von Kühen gewonnen wird und beim Menschen sehr schwache Symptome der Krankheit verursacht. Eine solche aktive Impfung führt zur Bildung von Antikörpern, die ebenfalls eine Immunität gegen Pocken verursachen.


BACTERIOPHA GI. STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN

Bakteriophagenviren oder Phagen, die in die Bakterienzelle eindringen und diese zerstören können, sind Bakteriophagen oder Bakterien, die speziell sind.
Es ist nicht schwierig, den Bakteriophagen zu isolieren. Es ist nur notwendig, Material aus dem natürlichen Lebensraum der entsprechenden Bakterienart zu entnehmen und Nährmedium mit den Bakterien zu gießen. Wenn eine solche kumulative Kultur unter für diese Bakterien günstigen Bedingungen inkubiert wird, vermehren sich die in der Probe enthaltenen Phagen. Das Virus vermehrt sich immer nur in wachsenden Zellen.
Die Struktur von Bakteriophagen wurde hauptsächlich am Beispiel von Phagen der T-Serie von Escherichia coli untersucht. Kolifag T2 besteht aus einem Polyederkopf mit einer Länge von 100 nm und einem Prozess oder "Schwanz" von ungefähr derselben Länge. Sie sprechen daher von "zusammengesetzten" Viren (Anhang 1, Tabelle 4.1). Der Kopf besteht aus Kapsomeren und enthält im Inneren DNA. Die Menge an Protein und DNA ist ungefähr gleich. Der Prozess des Phagen T2 hat eine komplexe Struktur. Darin können mindestens drei Teile unterschieden werden: eine hohle Stange, eine entfernbare Abdeckung, die sie umgibt, und eine am distalen Ende der Stange befindliche Spinal- und Faden-Basalamina (die spezifische Adsorption an der Wirtszelle hängt von der letzteren ab). In elektronenmikroskopischen Aufnahmen, die mit negativem Kontrast erhalten wurden, sind Phagenpartikel in zwei Zuständen zu sehen: In einigen Partikeln fällt der Kopf auf dem elektronendichten Hintergrund sehr scharf hervor und die Hülle des Prozesses ist gedehnt, in anderen Fällen unterscheidet sich der Kopf in Bezug auf die Dichte wenig und der Deckel ist in reduziertem Zustand. Dies ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. 4.7 (Anlage 4). Der erste Zustand (A) ist charakteristisch für den aktiven Phagen, in dessen Kopf DNA eingeschlossen ist, der zweite (B) ist für den Phagen, der seine DNA in die Bakterienzelle injiziert.
Die Bakteriophageneigenschaft - zur Zerstörung von Bakterien - wird zur Vorbeugung und Behandlung bakterieller Erkrankungen eingesetzt.
10–15 Minuten nach der Einführung von Bakteriophagen in den Organismus des Erregers der Pest werden Typhus, Dysenterie und Salmonellose neutralisiert.
Diese Methode hat jedoch einen gravierenden Nachteil. Bakterien sind (hinsichtlich des Schutzes gegen Phagen) variabler als Bakteriophagen, daher werden bakterielle Zellen relativ schnell zu unempfindlichen Phagen.

SCHLUSSFOLGERUNG
Der Ursprung von Viren im Evolutionsprozess ist unklar. Ihre Abhängigkeit von anderen Organismen, in deren Zellen sie wachsen und sich vermehren, deutet darauf hin, dass sie nicht früher als Zellorganismen erschienen. Es wird davon ausgegangen, dass Viren stark entartete Zellen oder deren Fragmente sind, die im Zuge der Anpassung an den Parasitismus alles verloren haben, worauf die Zellwand, das Cytoplasma mit Organellen, mit Ausnahme ihres erblichen Apparates in Form von Nukleinsäure (RNA oder DNA) und schützend verzichten kann Apparat in Form einer Proteinkapsel.
Virologen I - eine schnell wachsende Industrie mit einer temporären Biologie. Ihre theoretische und praktische Bedeutung für Medizin, Tiermedizin und Landwirtschaft ist enorm. Die Viren untersuchen die Probleme der mikrobiellen Genetik und aktuelle Probleme der Biochemie. Wissenschaftler verstehen immer tiefer und erfolgreicher die subtilste Struktur, die biochemische Zusammensetzung und die physiologischen Eigenschaften dieser ultramikroskopischen Lebewesen, ihre Rolle in der Natur, im menschlichen Leben, bei Tieren und Pflanzen. Die Entwicklung der Virologie ist mit dem Erfolg der Molekulargenetik verbunden. Die Untersuchung von Viren hat zum Verständnis der Feinstruktur von Genen, zur Entschlüsselung des genetischen Codes und zur Identifizierung von Mutationsmechanismen geführt. Viren werden häufig in der Gentechnik eingesetzt. Die Fähigkeit von Viren, abhängig zu werden, sich unvorhersehbar zu verhalten - kennt keine Grenzen.

Bakteriophagen

Bakteriophagen sind Viren, die in Bakterien leben.

Bakteriophagen (von Bakterien und Griechen. Phagos - Esser; buchstäblich - Bakterienesser), Phagen, bakterielle Viren, die die Zerstörung (Lyse) von Bakterien und anderen Mikroorganismen verursachen. Bakteriophagen vermehren sich in Zellen, lysieren sie und gelangen in der Regel in junge, wachsende Zellen. Zum ersten Mal wurde 1898 vom russischen Mikrobiologen NF Gamaleya die kontinuierliche Lyse von Bakterien (Milzbrandbazillus) beobachtet. 1915 beschrieb der englische Wissenschaftler F. Tuort das gleiche Phänomen in eitrigem Staphylokokkus, und 1917 rief der französische Wissenschaftler F. D'Erell das lysierende Mittel an, das die Bakterienfilter durchlief.

Struktur und chemische Zusammensetzung. Viele Bakteriophagenpartikel bestehen aus einem runden, sechseckigen oder stabförmigen Kopf mit einem Durchmesser von 45–140 nm und einem Prozess mit einer Dicke von 10–40 mm und einer Länge von 100–200 nm. Andere Bakteriophagen haben keine Prozesse; einige von ihnen sind rund, andere sind filiform und haben eine Größe von 8 x 800 nm. Der Kopfinhalt besteht hauptsächlich aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) (seine Länge ist um ein Vielfaches größer als die Kopfgröße und erreicht 60–70 µm, dieser Faden ist im Kopf fest verdreht) oder Ribonukleinsäure (RNA) und eine geringe Menge (etwa 3%) Protein und einige andere Substanzen. Der Anhang hat die Form einer hohlen Röhre, die von einer Hülle umgeben ist, die kontraktile Proteine ​​wie Muskeln enthält. Eine Reihe von Bakteriophagen bedeckt den Schrumpfbereich, wodurch ein Teil der Stange freigelegt wird. Am Ende des Prozesses weisen viele Bakteriophagen eine Grundplatte mit mehreren Styloiden oder anderen Vorsprüngen auf. Dünne lange Fäden lösen sich von der Platte, was zur Befestigung des Phagen an die Bakterien beiträgt. Die Schalen von Kopf und Blinddarm bestehen aus Proteinen. Die Gesamtmenge an Protein im Phagenpartikel beträgt 50 bis 60%, die Nukleinsäuren 40 bis 50%. Jeder Bakteriophage hat spezifische antigene Eigenschaften, die sich vom Wirtsbakterium und anderen Phagenantigenen unterscheiden. Es gibt Antigene, die einer Anzahl von Phagen gemeinsam sind (insbesondere solche, die RNA enthalten).

Verbreitung Bakteriophagen wurden für die meisten Bakterien gefunden, einschließlich pathogener und saprophytischer Bakterien sowie für Actinomyceten (Actinophagen) und blaugrüne Algen. Bakteriophagen kommen im Darm von Menschen und Tieren, in Pflanzen, Böden, Gewässern, Abwässern, Dung etc. vor. Bakteriophagen von Bodenmikroorganismen beeinflussen den Ablauf mikrobiologischer Prozesse im Boden.

Reproduktion. Der Bakteriophage ist an seinem Anhang an die Bakterienzelle gebunden und löst das Zellsekret aus, indem er das Enzym sekretiert. dann durchläuft der Inhalt seines Kopfes den Kanadenspross im Inneren der Zelle, wo unter dem Einfluss der Phagenukleinsäure die Synthese von Bakterienproteinen, DNA und RNA und die Synthese der Nukleinsäure und dann die Phagenproteine ​​beginnen. Einige dieser Proteine ​​sind Enzyme, ein anderer Teil bildet die Membran der reifen Bakteriophagenpartikel. Kleinere kugelförmige Phagen gelangen ohne Beteiligung eines Prozesses in Bakterien. Wenn eine Bakterienzelle gleichzeitig mit Bakteriophagenpartikeln infiziert wird, die sich in einer Reihe von Eigenschaften unterscheiden, dann gibt es unter den Nachkommen zusätzlich zu Partikeln wie Eltern auch solche, bei denen diese Eigenschaften in einer neuen Kombination gefunden werden, weil sich der Bakteriophage vermehrt

Rekombination - der Austausch von Stücken von Nukleinsäuresträngen, der Träger von Erbinformationen ist. Partikel großer Phagen entstehen aus den Bakterien, zerstören sie und einige kleine und filamentöse - aus lebenden Bakterien. Einige Bakteriophagen sind sehr spezifisch und können Zellen von nur einem Typ von Mikroorganismus (Monophagen) lysieren, andere wiederum sind Zellen verschiedener Typen (Polyphagen).

Bakteriophagen werden in virulente, Lyse verursachende Zellen mit der Bildung neuer Partikel und moderate (symbiotische) Zellen unterteilt, die von der Zelle adsorbiert werden und in diese eindringen, aber keine Lyse verursachen, sondern in latenter (versteckter) nicht infektiöser Form (Prophage) in der Zelle verbleiben. Latent Phagen enthaltende Kulturen werden als lysogen bezeichnet. Die Lysogenie wird auf die Nachkommen der Bakterien übertragen. Lysogene Kultur kann 2–3 oder mehr Phagen enthalten; In der Regel ist es resistent gegen die darin enthaltenen Phagen (nur ein kleiner Teil der Zellen lysiert und setzt die reifen Phagen frei). Durch die Beeinflussung der lysogenen Kultur mit Ultraviolett- oder Röntgenstrahlen, Wasserstoffperoxid und einigen anderen Substanzen ist es möglich, die Anzahl der Zellen, die Phagen freisetzen, signifikant zu erhöhen (die sogenannte Bakteriophagen-Induktion). Die Lysogenie ist unter allen Arten von Bakterien und Actinomyceten verbreitet. In manchen Fällen hängen viele Eigenschaften einer lysogenen Kultur (Toxizität, Mobilität von Bakterien usw.) von der Anwesenheit bestimmter Propheten ab. Viele Bakteriophagen-Mutationen wurden beschrieben, begleitet von einer Änderung ihrer lytischen Aktivität, der Struktur von Partikeln und "Kolonien", der Resistenz gegen unerwünschte Wirkungen und anderer Eigenschaften. Bakteriophagen spielen eine große Rolle bei der Variabilität und Entwicklung von Mikroben, und ihre Wirkungsmechanismen auf die Zelle sind unterschiedlich. Bakteriophagen können die Stickstofffixierungsfähigkeit von Azotobacter, die Toxizität und die antigenen Eigenschaften pathogener Bakterien usw. drastisch verändern.

Bakteriophagen in der Praxis Einige Phagen (allein oder in Kombination mit Antibiotika) wurden zur Vorbeugung (Phagenprophylaxe) und zur Behandlung (Phagentherapie) einer Reihe von bakteriellen Infektionskrankheiten beim Menschen (Dysenterie, Typhus, Cholera, Pest, Staphylokokkeninfektionen und anaerobe Infektionen usw.) und Tieren eingesetzt. Antibiotika und andere Chemotherapeutika erwiesen sich jedoch als wirksamer als Phagen, und daher hat sich ihre Verwendung für therapeutische Zwecke verringert. Bakteriophagen werden erfolgreich zur Bestimmung der Art von Bakterien, Actinomyceten, verwendet. Bakteriophagen können die Produktion von Antibiotika, Aminosäuren, Milchprodukten, bakteriellen Düngemitteln und in anderen Bereichen der mikrobiologischen Synthese beeinträchtigen. Die Bedeutung von Bakteriophagen für theoretische Arbeiten zur Genetik und Molekularbiologie.

Bakteriophagen

Inhaltsverzeichnis

Bakteriophagen. Ihre Rolle in der Biosphäre 4

Die Struktur von Bakteriophagen 6

Die Wechselwirkung von Bakteriophagen mit Bakterienzellen 7

Lebenszyklus 9

Systematik der Bakteriophagen 10

In der mikrobiologischen Industrie 12

Hauptentwicklungsschritte und einfachste Methoden der Bakteriophagenforschung 13

Liste der Informationsquellen 17

Eintrag

Der englische Bakteriologe Frederick Tuort 1 beschrieb 1915 in einem Artikel eine Infektionskrankheit von Staphylokokken, einen Infektionserreger, der durch Filter geleitet wurde, und konnte von einer Kolonie in eine andere transferiert werden.

Unabhängig von Frederick Tuort berichtete der französisch-kanadische Mikrobiologe Felix D'Erel 2 am 3. September 1917 über die Entdeckung von Bakteriophagen. Daneben ist bekannt, dass der russische Mikrobiologe Nikolai Fedorovich Gamalei 3 bereits 1898 das Phänomen der Lyse von Bakterien (anthracic bacillus) unter dem Einfluss eines transplantierbaren Mittels beobachtete.

Nach der Entdeckung der Phänomene des Bakteriophagen entwickelte D’Erell die Theorie, dass Bakteriophagen pathogener Bakterien als Parasiten eine große Rolle bei der Pathogenese von Infektionen spielen, die Wiederherstellung des erkrankten Organismus sicherstellen und dann eine spezifische Immunität erzeugen. Diese Position hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf das Phänomen der Bakteriophagen gelenkt, die angaben, dass Phagen ein wichtiges Mittel zur Bekämpfung der gefährlichsten Infektionskrankheiten von Mensch und Tier enthalten sollten.

Felix D'Erel meinte auch, dass Bakteriophagen in der Natur korpuskulär sind. Erst nach der Erfindung des Elektronenmikroskops war es jedoch möglich, die Ultrastruktur von Phagen zu sehen und zu untersuchen. Vorstellungen über die Morphologie und Hauptmerkmale von Phagen beruhten lange Zeit auf den Ergebnissen der Untersuchung der T-Gruppen-Phagen - T1, T2,..., T7, die auf E. coli (E. coli) des Stammes B brüten. Es werden jedoch jedes Jahr neue Daten zur Morphologie und zur Morphologie Strukturen verschiedener Phagen, die ihre morphologische Klassifikation erforderten.

Bakteriophagen. Ihre Rolle in der Biosphäre

Ateriophagen (Phagen) (aus dem Altgriechischen φᾰγω - "Verschlingung") sind Viren, die Bakterienzellen selektiv infizieren. Am häufigsten vermehren sich Bakteriophagen innerhalb von Bakterien und verursachen deren Lyse 4. In der Regel besteht ein Bakteriophage aus einer Proteinhülle und dem genetischen Material aus einzelsträngiger oder doppelsträngiger Nukleinsäure (DNA oder seltener RNA). Die Teilchengröße beträgt etwa 20 bis 200 nm.

Die Struktur eines typischen Bakteriophagen-Myovirus (1).

Bakteriophagen stellen die zahlreichsten, in der Biosphäre weit verbreiteten und vermutlich evolutionär ältesten Virengruppen dar. Die ungefähre Populationsgröße von Phagen beträgt mehr als 1030 Phagenpartikel.

Unter natürlichen Bedingungen werden Phagen an Orten gefunden, an denen Bakterien empfindlich sind. Je reicher dieses oder jenes Substrat (Boden, Ausscheidungen von Menschen und Tieren, Wasser usw.) durch Mikroorganismen ist, desto mehr finden sich die entsprechenden Phagen darin. Phagen, die Zellen aller Arten von Bodenmikroorganismen lysieren, befinden sich also im Boden. Besonders reich an Phagen von Chernozem und Boden, in denen organische Dünger ausgebracht werden.

Bakteriophagen spielen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Anzahl der mikrobiellen Populationen, bei der Autolyse von alternden Zellen, beim Transfer bakterieller Gene, die als Vektor- "Systeme" fungieren.

Tatsächlich stellen Bakteriophagen eines der wichtigsten beweglichen genetischen Elemente dar. Durch die Transduktion bringen sie neue Gene in das bakterielle Genom ein. Es wurde geschätzt, dass 1024 Bakterien in 1 Sekunde infiziert werden können. Dies bedeutet, dass der ständige Transfer von genetischem Material auf Bakterien unter ähnlichen Bedingungen verteilt wird.

Der hohe Spezialisierungsgrad, die langfristige Existenz und die Fähigkeit, sich schnell im geeigneten Wirt zu reproduzieren, trägt zu ihrer Erhaltung in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen einer großen Vielfalt von Bakterienarten in jedem natürlichen Ökosystem bei. Wenn es keinen geeigneten Wirt gibt, können viele Phagen die Fähigkeit zur Infektion behalten, wenn sie nicht durch extreme Substanzen oder Umweltbedingungen zerstört werden.

Bakteriophagen in der Medizin

Bakterien Esser

Konstantin Miroshnikov, "Popular Mechanics" № 10-2013

Alle auf der Erde lebenden Kreaturen haben mikroskopisch kleine Parasiten - Viren. In ihren Bakterien gibt es Viren. Der Reproduktionszyklus bakterieller Viren endet unvermeidlich mit dem Tod der Mikrobe. Felix D'Erel, einer der Entdecker dieses Effekts, hatte einen besonderen Namen - "Bakteriophagen", übersetzt aus dem Griechischen - "Bakteriesser".

Foto aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop
zeigt den Prozess der Bindung von Bakteriophagen (Coliphagen T1) auf der Oberfläche von E. coli-Bakterien.

Am Ende des zwanzigsten Jahrhunderts wurde klar, dass Bakterien zweifellos die Biosphäre der Erde dominieren und mehr als 90% ihrer Biomasse ausmachen. Jede Art hat viele spezialisierte Arten von Viren. Nach vorläufigen Schätzungen beträgt die Anzahl der Bakteriophagenarten etwa 10 15. Um den Maßstab dieser Figur zu verstehen, können wir sagen, dass, wenn jeder Mensch auf der Erde jeden Tag einen neuen Bakteriophagen eröffnen wird, es 30 Jahre dauern wird, alle zu beschreiben.

Daher sind Bakteriophagen die am wenigsten untersuchten Kreaturen in unserer Biosphäre. Die meisten der heute bekannten Bakteriophagen gehören zu den Caudovirales-Schwanzviren. Ihre Partikel haben eine Größe von 50 bis 200 nm. Der Schwanz in verschiedenen Längen und Formen sorgt für die Anhaftung des Virus an der Oberfläche des Wirtsbakteriums, der Kopf (Kapsid) dient als Ablage für das Genom. Genomische DNA kodiert für die Strukturproteine, die den Bakteriophagen- "Körper" bilden, und Proteine, die es dem Phagen ermöglichen, sich während der Infektion innerhalb der Zelle zu vermehren.

Wir können sagen, dass der Bakteriophage ein natürliches High-Tech-Nanoobjekt ist. Zum Beispiel sind Phagenschwänze eine "molekulare Spritze", die die Bakterienwand durchstößt und durch Quetschen ihre DNA in die Zelle injiziert. Ab diesem Moment beginnt der Infektionszyklus. Seine weiteren Stufen bestehen darin, die Mechanismen der vitalen Aktivität des Bakteriums auf die Aufrechterhaltung des Bakteriophagen, die Reproduktion seines Genoms, die Konstruktion mehrerer Kopien der Virushüllen, die Verpackung der DNA des Virus und schließlich die Zerstörung (Lyse) der Wirtszelle umzustellen.

Ein Bakteriophage ist kein Lebewesen, sondern ein molekularer Nanomechanismus, der von der Natur geschaffen wird.
Der Bakteriophagenschwanz ist eine Spritze, die die Bakterienwand durchsticht und virale DNA injiziert.
die im Kopf (Capsid) in der Zelle gespeichert ist.

Jede Stufe hat viele Nuancen, die eine tiefgehende evolutionäre und ökologische Bedeutung haben. Schließlich existieren Bakterien und ihre viralen Parasiten über hunderte Millionen, wenn nicht sogar Milliarden von Jahren. Und dieser Überlebenskampf endete nicht mit der totalen Zerstörung von Einzellern, der vollständigen Resistenz gegen Phagen und der unkontrollierten Vermehrung von Bakterien.

Als Ursache für das bestehende Gleichgewicht kann neben der ständigen evolutionären Konkurrenz der Abwehrmechanismen von Bakterien und Angriffen von Viren die Tatsache angesehen werden, dass sich Bakteriophagen auf ihre infektiöse Wirkung spezialisiert haben. Wenn es eine große Bakterienkolonie gibt, in der die nächsten Generationen von Phagen ihre Opfer finden werden, erfolgt die Zerstörung von Bakterien durch lytische (tötende, buchstäblich auflösende) Phagen schnell und kontinuierlich.

Wenn nicht genügend potentielle Opfer vorhanden sind oder die äußeren Bedingungen für die effektive Reproduktion von Phagen nicht sehr geeignet sind, profitieren Phagen mit einem lysogenen Entwicklungszyklus. In diesem Fall löst es nach Einführung der Phagen-DNA in das Bakterium nicht sofort den Mechanismus der Infektion aus, sondern existiert vorübergehend im passiven Zustand der Zelle und dringt oft in das Bakteriengenom ein.

In einem solchen Zustand des Prophagen kann das Virus lange Zeit existieren, indem es zusammen mit dem Chromosom des Bakteriums die Zellteilungszyklen durchläuft. Und nur wenn das Bakterium in die für die Fortpflanzung günstige Umgebung gelangt, wird der lytische Infektionszyklus aktiviert. Wenn die Phagen-DNA aus dem Bakterienchromosom freigesetzt wird, werden oft benachbarte Bereiche des Bakteriengenoms eingefangen, und ihr Inhalt kann später auf das nächste Bakterium übertragen werden, das den Bakteriophagen infiziert. Dieser Vorgang (Gentransduktion) gilt als das wichtigste Mittel zur Übertragung von Informationen zwischen Prokaryoten, Organismen ohne Zellkerne.

Wie funktioniert Bakteriophage?

Alle diese molekularen Feinheiten waren im zweiten Jahrzehnt des zwanzigsten Jahrhunderts nicht bekannt, als "unsichtbare Infektionserreger, die Bakterien zerstören" entdeckt wurden. Aber auch ohne Elektronenmikroskop, mit dessen Hilfe Ende der 1940er Jahre erstmals Bilder von Bakteriophagen gewonnen werden konnten, war es klar, dass sie Bakterien einschließlich Krankheitserreger zerstören konnten. Diese Eigenschaft wurde sofort von der Medizin gefordert.

Die ersten Versuche, Dysenteriephilasen, Wundinfektionen, Cholera, Typhus und sogar die Pest zu heilen, wurden ziemlich sorgfältig durchgeführt, und der Erfolg sah ziemlich überzeugend aus. Nach dem Beginn der Massenproduktion und der Verwendung von Phagenpräparaten wurde die Euphorie jedoch durch Enttäuschung ersetzt. Es war sehr wenig darüber bekannt, wie Bakteriophagen sind, wie sie ihre Dosierungsformen herstellen, reinigen und anwenden. Es genügt zu sagen, dass nach den Ergebnissen einer in den USA Ende der 1920er Jahre durchgeführten Inspektion viele industrielle Phagenpräparate tatsächlich keine Bakteriophagen enthielten.

Antibiotika-Problem

Die zweite Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts in der Medizin kann als "Ära der Antibiotika" bezeichnet werden. Der Entdecker des Penicillins, Alexander Fleming, warnte jedoch in seinem Nobel-Vortrag, dass die Resistenz gegen Mikroorganismen gegen Penicillin ziemlich schnell auftritt. Gegenwärtig wurde die Antibiotikaresistenz durch die Entwicklung neuer Arten von antimikrobiellen Arzneimitteln ausgeglichen. Seit den 1990er Jahren ist jedoch klar geworden, dass die Menschheit das „Wettrüsten“ gegen Mikroben verliert.

Vor allem ist der unkontrollierte Einsatz von Antibiotika nicht nur für medizinische Zwecke, sondern auch für präventive Zwecke nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Landwirtschaft, in der Lebensmittelindustrie und im Alltag schuldig. Infolgedessen begann die Resistenz gegen diese Medikamente nicht nur in pathogenen Bakterien, sondern auch in den am häufigsten vorkommenden Mikroorganismen, die in Boden und Wasser leben, zu produzieren, was sie zu „bedingten Krankheitserregern“ machte.

Solche Bakterien existieren bequem in medizinischen Einrichtungen, bevölkern Sanitärkeramik, Möbel, medizinische Geräte und manchmal sogar Desinfektionslösungen. Bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem, das ist die Mehrheit in Krankenhäusern, verursachen sie schwere Komplikationen.

Es überrascht nicht, dass die medizinische Gemeinschaft Alarm schlägt. WHO-Generaldirektorin Margaret Chan gab in der Vergangenheit 2012 eine Erklärung ab, in der sie das Ende der Ära der Antibiotika und die Anfälligkeit der Menschheit für Infektionskrankheiten voraussagte. Die praktischen Möglichkeiten der kombinatorischen Chemie - die Grundlagen der Pharmakologie - sind jedoch noch lange nicht ausgeschöpft. Eine andere Sache ist, dass die Entwicklung von antimikrobiellen Wirkstoffen ein sehr teurer Prozess ist, der nicht so viel Gewinn bringt wie viele andere Arzneimittel. Horrorgeschichten über „Superbugs“ sind eher eine Warnung, die die Menschen dazu anregt, nach alternativen Lösungen zu suchen.

Bakteriophagen und Immunität

Da es in der Natur unzählige Bakteriophagen gibt und sie ständig mit Wasser, Luft und Nahrung in den menschlichen Körper eindringen, ignoriert die Immunität sie einfach. Es gibt sogar eine Hypothese über eine Bakteriophagen-Symbiose im Darm, die die Darmflora reguliert. Eine gewisse Immunreaktion ist nur bei langfristiger Einführung großer Phagendosen in den Körper möglich.

Aber auf diese Weise können Sie gegen fast jede Substanz allergisch werden. Schließlich ist es sehr wichtig, dass Bakteriophagen kostengünstig sind. Die Entwicklung und Herstellung eines Präparats aus genau ausgewählten Bakteriophagen mit vollständig entschlüsselten Genomen, die nach modernen biotechnologischen Standards für bestimmte Bakterienstämme in chemisch reinen Medien und hochgereinigt kultiviert werden, ist viel billiger als moderne komplexe Antibiotika.

Auf diese Weise können Sie phagotherapeutische Medikamente schnell an wechselnde Gruppen pathogener Bakterien anpassen und Bakteriophagen in der Veterinärmedizin anwenden, wo teure Medikamente wirtschaftlich nicht gerechtfertigt sind.

Es erscheint logisch, das Interesse an der Verwendung von Bakteriophagen - natürlichen Feinden von Bakterien - zur Behandlung von Infektionen wiederzubeleben. Tatsächlich haben Bakteriophagen in den Jahrzehnten der "Ära der Antibiotika" aktiv der Wissenschaft gedient, nicht aber der Medizin, sondern der grundlegenden Molekularbiologie. Es genügt, die Decodierung der "Triplets" des genetischen Codes und des DNA-Rekombinationsprozesses zu erwähnen. Nun ist es über Bakteriophagen bekannt, vernünftigerweise geeignete Phagen für therapeutische Zwecke auszuwählen.

Die Vorteile von Bakteriophagen als potenzielle Arzneimittel sind zahlreich. Vor allem - es ist eine Unzahl von ihnen. Das Wechseln des genetischen Apparats des Bakteriophagen ist zwar viel einfacher als das eines Bakteriums und vor allem bei höheren Organismen, dies ist jedoch nicht erforderlich. Sie können immer etwas Passendes in der Natur finden. Es ist vielmehr eine Auswahl, Festigung der gewünschten Eigenschaften und Reproduktion der gewünschten Bakteriophagen.

Dies kann mit Hunderassen verglichen werden - Schlitten, Wachmann, Jagd, Jagdhunde, Kampf, Zierde... Alle bleiben Hunde, sind aber für bestimmte Handlungen optimiert, die eine Person benötigt. Zweitens sind Bakteriophagen streng spezifisch, das heißt, sie zerstören nur eine bestimmte Art von Mikroben, während sie die normale Mikroflora des Menschen nicht hemmen.

Drittens beginnt ein Bakteriophage, wenn er ein Bakterium findet, das zerstört werden muss, sich während seines Lebenszyklus zu vermehren. Somit wird das Problem der Dosierung weniger akut. Viertens verursachen Bakteriophagen keine Nebenwirkungen. Alle Fälle allergischer Reaktionen unter Verwendung therapeutischer Bakteriophagen wurden entweder durch Verunreinigungen verursacht, von denen die Zubereitung nicht ausreichend gereinigt wurde, oder durch Toxine, die während des Massentodes von Bakterien freigesetzt wurden. Das letztere Phänomen, der "Herxheimer-Effekt", wird häufig beim Einsatz von Antibiotika beobachtet.

Leider haben medizinische Bakteriophagen auch viele Mängel. Das Hauptproblem ergibt sich aus der Würde - der hohen Spezifität der Phagen. Jeder Bakteriophage infiziert eine streng definierte Art von Bakterien, nicht einmal eine taxonomische Art, sondern eine Reihe engerer Spezies, Stämme. Relativ gesprochen, als ob der Wachhund nur bei den zwei Meter hohen Schlägern in schwarzen Regenmänteln zu bellen anfing, reagierten sie nicht auf den Teenager in kurzen Hosen, der ins Haus ging.

Daher gibt es für aktuelle Phagenpräparate Fälle ineffektiver Verwendung. Ein Medikament, das gegen eine bestimmte Gruppe von Stämmen hergestellt und perfekt gegen Streptokokken-Halsschmerzen in Smolensk behandelt wird, kann in Kemerovo gegen alle Anzeichen derselben Halsentzündung machtlos sein. Die Krankheit ist dieselbe, verursacht durch dieselbe Mikrobe, und Streptococcus-Stämme in verschiedenen Regionen sind unterschiedlich.

Für die effektivste Verwendung von Bakteriophagen ist eine genaue Diagnose einer pathogenen Mikrobe bis zu einer Belastung erforderlich. Die heute gebräuchlichste Diagnosemethode ist die Kultursaat, die viel Zeit in Anspruch nimmt und nicht die erforderliche Genauigkeit bietet. Schnelle Methoden - Typisierung mittels PCR oder Massenspektrometrie - werden aufgrund der hohen Kosten der Ausrüstung und der höheren Qualifikationsanforderungen für Labortechniker langsam eingeführt. Im Idealfall könnte die Auswahl der Phagenkomponenten des Arzneimittels gegen die Infektion jedes einzelnen Patienten erfolgen, dies ist jedoch teuer und in der Praxis nicht akzeptabel.

Ein weiterer wichtiger Nachteil von Phagen ist ihre biologische Natur. Neben der Tatsache, dass Bakteriophagen besondere Lagerungs- und Transportbedingungen zur Aufrechterhaltung der Infektiosität benötigen, eröffnet diese Behandlungsmethode Raum für viele Spekulationen über das Thema "fremde DNA beim Menschen". Und obwohl bekannt ist, dass ein Bakteriophage im Prinzip eine menschliche Zelle nicht infizieren und DNA darin injizieren kann, ist es nicht einfach, die öffentliche Meinung zu ändern.

Die dritte Einschränkung ergibt sich aus der biologischen Natur und im Vergleich zu niedermolekularen Arzneimitteln (den gleichen Antibiotika) ziemlich groß, dem Problem der Abgabe von Bakteriophagen an den Körper. Wenn sich eine mikrobielle Infektion entwickelt, bei der der Bakteriophage direkt in Form von Tropfen, Sprühnebel oder Einlauf angewendet werden kann - auf der Haut, offenen Wunden, Verbrennungen, Schleimhäuten des Nasopharynx, Ohren, Augen, Dickdarm - dann ist das kein Problem.

Wenn die Infektion jedoch in den inneren Organen auftritt, ist die Situation komplizierter. Fälle einer erfolgreichen Behandlung von Nieren- oder Milzinfektionen mit der üblichen oralen Verabreichung des Bakteriophagenpräparats sind bekannt. Der Mechanismus des Eindringens relativ großer (100 nm) Phagenpartikel aus dem Magen in den Blutkreislauf und in die inneren Organe ist jedoch wenig bekannt und variiert von Patient zu Patient. Bakteriophagen sind auch gegenüber den Mikroben, die sich in den Zellen entwickeln, machtlos, zum Beispiel Erreger der Tuberkulose und der Lepra. Der Bakteriophage kann nicht durch die Wand einer menschlichen Zelle gelangen.

Es sollte beachtet werden, dass es nicht angebracht sein sollte, die Verwendung von Bakteriophagen und Antibiotika für medizinische Zwecke abzulehnen. Mit ihrer gemeinsamen Wirkung wird eine gegenseitige Verstärkung der antibakteriellen Wirkung beobachtet. Dadurch kann beispielsweise die Dosis von Antibiotika auf Werte reduziert werden, die keine ausgeprägten Nebenwirkungen verursachen. Dementsprechend ist der Produktionsmechanismus der Bakterien gegen beide Komponenten des kombinierten Arzneimittels nahezu unmöglich.

Die Erweiterung des antimikrobiellen Arsenals gibt mehr Freiheitsgrade bei der Wahl der Behandlungsmethoden. Die wissenschaftlich fundierte Entwicklung des Konzepts der Verwendung von Bakteriophagen in der antimikrobiellen Therapie ist daher eine vielversprechende Richtung. Bakteriophagen dienen weniger als Alternative, als Ergänzung und Verstärkung im Kampf gegen Infektionen.

Der Autor -. Kopf Molecular Bioengineering Institut für Bioorganische Chemie. Shemyakin und Ovchinnikov RAS