Бактериофа́ги, или фа́ги (от — «пожираю»), — нетаксономическая группа вирусов, заражающих бактериальные клетки. Ранее бактериофагами называли и вирусы архей, однако в настоящее время этот термин принято относить исключительно к бактериальным вирусам. Бактериофаги, как и любые иные вирусы, размножаются внутри клетки хозяина. Высвобождение потомства большинства бактериофагов происходит путём лизиса инфицированной бактериальной клетки, однако при размножении бактериофагов некоторых групп, например, нитчатых фагов, выход вирусных частиц происходит без разрушения клетки, которая сохраняет свою жизнеспособность. Вирусная частица или вирион бактериофага состоит из оболочки, как правило белковой, и генетического материала — одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК). Общая численность бактериофагов в большинстве природных местообитаний примерно равна численности бактерий или превышает её в 2—10 раз, при этом общее количество фаговых частиц в биосфере Земли составляет 1030—1032 частицСергей Головин Бактериофаги: убийцы в роли спасителей // Наука и жизнь. — 2017. — № 6. — С. 26-33. Бактериофаги активно участвуют в круговороте химических веществ и энергии, оказывают заметное влияние на состав, динамику и активность микробных сообществ, влияют на эволюцию микробов, на их взаимодействия между собой и с многоклеточными организмами и даже участвуют в контроле экспрессии собственных генов микроорганизмов. У бактерий существует также большое число генетических элементов и кодируемых ими молекулярных структур, имеющих общее происхождение с бактериофагами, «приспособленных» микробами для тех или иных собственных нужд: дефектные профаги, бактериоцины типов R и F, AFP-профаги (от англ. antifeeding prophage — профаги, препятствующие питанию), системы секреции VI типа (T6SS), сократимые системы, ассоциированные с метаморфозом (MAC), агенты переноса генов (GTA — gene tranfer agents) и другие. Бактериофаги, а также антивирусные (противофаговые) системы бактерий послужили источником большей части инструментария современной генетической инженерии и ряда других технологий.
История К концу XIX столетия микробиология была достаточно развитой наукой, в которой активно работало значительное число исследователей, а также практических специалистов-бактериологов, занятых в клинике и на некоторых производствах. Более того, к началу XX века вирусы (по тогдашней терминологии фильтрующиеся вирусы) уже были известны: в 1892 году Дмитрием Ивановским был открыт вирус табачной мозаики, а в 1898 году Фридрихом Лёфлером и Паулем Фрошем был описан вирус ящура. С высокой долей вероятности многие исследователи встречались с явлением бактериофагии. Известно несколько десятков статей, вышедших до 1915 года, которые сообщают об эффектах, сходных с бактериофагией, среди которых можно упомянуть работу Н. Ф. Гамалеи, наблюдавшего в 1897 году явление лизиса бактерий (сибиреязвенной палочки) под влиянием перевиваемого агента. В 1915 году английский микробиолог Фредерик Туорт описал так называемое стекловидное перерождение колоний стафилококков, возбудитель которого проходил через фарфоровые бактериальные фильтры, и его можно было переносить от одной колонии к другой. Туорт охарактеризовал этот агент как вирус, заражающий бактерии и даже выдвинул предположение о возможном эволюционном происхождении вирусов из доклеточных форм жизни.
Независимо от Фредерика Туорта франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрелль сообщил в 1917 году об открытии вируса возбудителя дизентерии, который он назвал бактериофагом. Важнейшим достижением д’Эрелля была верная интерпретация стерильных пятен (бляшек), образующихся в сплошном слое бактериального роста на плотной среде (так называемом газоне) под действием разбавленной суспензии фага как индивидуальных негативных колоний бактериофага. Д’Эрелль сделал верное заключение, что в большинстве случаев бляшка формируется из отдельной фаговой частицы, что приводило, во-первых, к заключению о корпускулярной природе фага (в противоположность гипотезе о растворимом токсине, имеющем минимальную действующую концентрацию), а во-вторых, дало возможность практического измерения концентрации активных фаговых частиц (или, точнее, бляшкообразующих единиц) в суспензиях. Возможность простой визуализации фагов и определения их концентрации методом посева сыграла ключевую роль в дальнейших исследованиях природы бактериофагов.
После открытия явлений бактериофагии д’Эрелль развил учение о том, что бактериофаги, обитающие в кишечнике человека и животных, способны адаптироваться к размножению на патогенных бактериях, и играют ключевую роль в естественном иммунитете, обеспечивая выздоровление больного организма даже в большей степени, чем известные в то время клеточные и гуморальные факторы иммунитета. Это положение привлекло к напряженному научному противостоянию д’Эрелля и его сторонников с Жюлем Борде и его школой, которые пытались доказать, что бактериофагия не является результатом действия специфического паразита, но возникает в результате внутреннего «физиологического дисбаланса» бактерий. Это противостояние хотя и привлекло к проблеме бактериофагии внимание ряда ученых, несколько задержало широкое признание взглядов д’Эрелля на бактериофаг как на ультрамикроскопический организм. Окончательно эти споры были разрешены только благодаря применению электронного микроскопа, которое в начале 1940-х позволило напрямую наблюдать вирионы бактериофагов.
Тем не менее, уже в 1922 году американский генетик Герман Мёллер, опираясь на результаты д’Эрелля и сотрудника Ж. Борде Андре Грациа сделал предположение, что «тельца д’Эрелля» (бактериофаги) представляют собой гены, способные к передаче (выражаясь современным языком, предположил, что бактериофаги являются трансмиссивной генетической программой), что, по мнению Мёллера, позволяло «атаковать проблему гена под совершенно новым углом» и давало надежду, что генетики скоро смогут «растирать гены в ступке или запекать в печи».
В 1940-х — в начале 1950-х годов в результате работ так называемой фаговой группы, неформальным лидером который был Макс Дельбрюк, а также группы Джошуа Ледерберга и ряда других исследовательских коллективов, данная гипотеза была полностью подтверждена. В 1930—1950-е годы многие исследователи работали также над раскрытием механизмов лизогении, которая была впервые описана д’Эреллем и Борде, которые, однако, не смогли верно интерпретировать свои наблюдения. Окончательно проблема была разрешена в результате работ групп Андре Львова во Франции и Д. Ледерберга. Ими было показано, что профаг — генетический материал умеренного бактериофага — содержится в каждой лизогенной клетке, но проявляется лишь в некоторых в процессе так называемой индукции. Более того, удалось продемонстрировать, что профаги не просто присутствуют в клетке, но интегрируются в её собственный генетический аппарат — хромосому. Эти работы (в сочетании с развивавшимися в то же время исследованиями по генетике бактерий) заложили основы молекулярной генетики и молекулярной биологии и привели к созданию современной концепции вируса как трансмиссивной генетической программы, а также концепции провируса — временно «спящей» формы некоторых вирусов, интегрированной в клеточный геном.
Помимо своих пионерских исследований, касающихся природы бактериофага, Ф. д’Эрелль также предложил вводить полученный in vitro бактериофаг в качестве средства лечения бактериальных инфекций. Этот подход известен как фаговая терапия. По сообщениям самого д’Эрелля в его руках метод фаговой терапии характеризовался впечатляющей эффективностью, и в 1920—1930-е годы эта технология была крайне популярна на Западе, а также в СССР. Однако нестабильные результаты лечения бактериофагами, а также появление сульфаниламидных препаратов и антибиотиков привели практически к исчезновению интереса к фаговой терапии в западной медицине. В СССР (а после распада страны — в России и Грузии) этот метод продолжал применяться. В 2010—2020-х годах фаговая терапия вновь рассматривается как перспективный метод борьбы с бактериальными инфекциями, потенциально способный сгладить последствия глобального кризиса, вызванного распространением устойчивости к антибиотикам.
Искусственное создание Модель ИИ под названием Evo была обучена на двух миллионах бактериофагов. Учёные для эксперимента определили бактериофаг phiX174. ИИ Evo сгенерировал сотни вариантов вирусных геномов. 16 из 302 вариантов были определены как функциональные, ими была атакована кишечная палочка (E. coli), они продемонстрировали репликацию и разрушение бактерийИскусственный интеллект создал вирусы, которых раньше не существовало.
Строение бактериофагов
Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру фаги в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.
Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2—4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал — одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментом транскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой — капсидом, сохраняющим геном вне клеткиКовалёва Е. Н. Создание биопрепарата на основе выделенных и изученных бактериофагов Enterococcus faecalis: Дис. … канд. биол. наук. — Саратов, 2009. — 151 с..
Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные.
Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку — продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидныеОжерельева Н. Г. Краткая Медицинская Энциклопедия, : изд-во «Советская Энциклопедия», 1989. — издание второе..
Головка округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45—140 нм. Отросток толщиной 10—40 и длиной 100—200 нм. Одни из бактериофагов округлы, другие нитевидны, размером 8×800 нм. Длина нити нуклеиновой кислоты во много раз превышает размер головки, в которой находится в скрученном состоянии, и достигает 60—70 мкм. Отросток имеет вид полой трубки, окружённой чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда вирусов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные нити, способствующие прикреплению фага к бактерии. Общее количество белка в частице фага — 50—60 %, нуклеиновых кислот — 40—50 %.
Фаги, как и все вирусы, являются внутриклеточными паразитами, и не способны к самостоятельному размножению. Хотя они содержат всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них нет механизмов для выработки энергии и рибосом для синтеза белка. Размер известных фаговых геномов варьирует от нескольких тысяч до 498 тысяч пар оснований (геном фага G, поражающего бацилл). В метагеномных исследованиях описывали фаговые геномы длиной до 735 т. п. о..
Классификация бактериофагов
Большое количество выделенных и изученных бактериофагов определяет необходимость их систематизации. Этим занимается Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). В настоящее время, согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов, бактериофаги разделяют в зависимости от типа нуклеиновой кислоты и морфологии.