מאמר זה, כמו דו ח ביולוגיה של כיתה ה' על וירוסי בקטריופאג'ים, יעזור לקורא ללמוד מידע בסיסי על צורות החיים החוץ-תאיות הללו. כאן נשקול את מיקומם הטקסונומי, תכונות המבנה ופעילות החיים, הביטוי שלהם בעת אינטראקציה עם חיידקים וכו'.
מבוא
כולם יודעים שהנציג האוניברסלי של יחידת חיים על פני כדור הארץ הוא תא. עם זאת, המפנה בין המאה התשע עשרה למאה העשרים היה עידן שבמהלכו התגלו מספר מחלות הפוגעות בבעלי חיים, בצמחים ואפילו בפטריות. בניתוח תופעה זו ובהתחשב במידע כללי על מחלות אנושיות, הבינו מדענים שישנם אורגניזמים שיכולים להיות בעלי אופי לא תאי.
יצורים כאלה הם קטנים ביותר, ולכן מסוגלים לעבור דרך המסנן הקטן ביותר מבלי לעצור במקום שבו אפילו התא הקטן ביותר יכול לעצור. זה הוביל לגילוי של וירוסים.
נתונים כלליים
לפניקחו בחשבון נציגים של וירוסים - בקטריופאג'ים - בואו להכיר מידע כללי על הממלכה הזו של ההיררכיה הטקסונומית
לחלקיק הנגיף יש את הממדים הקטנים ביותר (20-300 ננומטר) ומבנה סימטרי. הוא בנוי ממרכיבים שחוזרים על עצמם כל הזמן. כל האורגניזמים בעלי אופי ויראלי הם שבר של RNA או DNA, סגור במעטפת חלבון מיוחדת הנקראת קפסיד. אין להם את היכולת לתפקד באופן עצמאי ולשמור על פעילות חיונית, בהיותם מחוץ לתא אחר. הביטוי של תכונותיהם של יצורים חיים טבוע בהם רק לאחר הכנסתם לאורגניזם אחר, בעוד שהנגיף עצמו ישתמש במשאבי התא שלכד כדי לשמור על יציבות במצבו שלו. מכאן נובע שתחום זה של הטקסונומיה מוצג כצורת חיים טפילית תוך תאית. ישנם וירוסים שפולשים לחלקים של ממברנות התא בו התפתחו וחיו. הם יוצרים מעטפת נוספת מסביב למקומות כאלה, ומכסים את הקפסיד.
ככלל, וירוסים יוצרים קשר עם פני התא שבו הם טפילים. ואז הנגיף נכנס פנימה ומתחיל לחפש מבנה ספציפי שהוא יכול לפגוע בו. לדוגמה, הגורמים הגורמים לדלקת כבד מתפקדים וחיים רק ביחידות התא של הכבד, בעוד חזרת מנסה לחדור לתוך בלוטות הפרוטיד.
DNA (RNA) השייך לנגיף, ברגע שהוא נכנס לתא הנשא, מתחיל ליצור אינטראקציה עם המנגנון של תורשה גנטית כך שהתא עצמו מתחיל תהליך סינתזה בלתי מבוקרסדרה ספציפית של חלבונים המקודדים בחומצת הגרעין של הפתוגן עצמו. לאחר מכן, מתרחש שכפול, שמתבצע ישירות על ידי התא עצמו, וכך מתחיל תהליך הרכבת חלקיק ויראלי חדש.
Bacteriophage
מי הם וירוסי בקטריופאג'? זוהי צורת חיים מיוחדת בכדור הארץ שחודרת באופן סלקטיבי לתאי חיידקים. רבייה מתרחשת לרוב בתוך המארח, והתהליך עצמו מוביל לתמוגה. בהתחשב במבנה של וירוסים באמצעות הדוגמה של בקטריופאג'ים, אנו יכולים להסיק שהם מורכבים מקליפות שנוצרו על ידי חלבונים ויש להם מנגנון להתרבות תורשה בצורה של שרשרת RNA אחת או שתי שרשראות DNA. המספר הכולל של בקטריופאג'ים מתאים בערך למספר הכולל של אורגניזמים חיידקיים. וירוסים אלו לוקחים חלק פעיל במחזור הכימי של חומרים ואנרגיה בטבע. גורם לביטויים רבים של סימנים בחיידקים וחיידקים שהתפתחו או מתפתחים במהלך האבולוציה.
היסטוריית גילוי
חוקר החיידקים פ. טוורט יצר תיאור של מחלה זיהומית, אותו הציע במאמר שפורסם ב-1915. מחלה זו פגעה בסטפילוקוקים ויכלה לעבור דרך כל מסננים, ויכולה גם להיות מועברת ממושבת תאים אחת לאחרת.
F. D'Herelle, מיקרוביולוג יליד קנדה, גילה בקטריופאג'ים בספטמבר 1917. הגילוי שלהם נעשה ללא תלות בעבודתו של F. Tworot.
בשנת 1897, נ.פ. גמאליה הפך לצופה בתופעת התמוגהחיידקים שהמשיכו תחת השפעת תהליך ההשתלה.
וירוסים חיידקיים הם בקטריופאג'ים טפיליים הממלאים תפקיד עצום בפתוגנזה של זיהומים. הם עוסקים בהבטחת התאוששות הסוג הרב-תאי של האורגניזם ממחלות רבות, ולכן יוצרים סוג מסוים של מערכת חיסון. ד'הרל דיבר על כך לראשונה, ומאוחר יותר פיתח זאת לדוקטרינה. עמדה זו משכה מדענים רבים שהחלו לחקור תחום זה ולנסות למצוא תשובות לשאלות כגון: איזה סוג של מבנה תאי (גבישים) יש לבקטריופאג'ים לחיידקים-וירוסים? מהם התהליכים בתוכם, המשך גורלם והתפתחותם? כל זה ועוד משך את תשומת לבם של חוקרים רבים.
משמעות
מבנה הווירוסים בדוגמה של בקטריופאג יכול לומר לנו הרבה, במיוחד לגבי אינטראקציה עם מידע אחר שיש לאדם לגביהם. לדוגמה, הם כביכול הצורה העתיקה ביותר של חלקיקי וירוסים. ניתוח כמותי מצביע על כך שלאוכלוסייתם יש יותר מ-1030 חלקיקים.
בטבע ניתן למצוא אותם באותו מקום שבו חיים חיידקים, שאליו הם יכולים להיות רגישים. מכיוון שהאורגניזמים המדוברים מוגדרים על פי בית הגידול שלהם, על פי העדפות החיידקים שהם מדביקים, יוצא שחיידקי אדמה (פאג'ים) יחיו באדמה. ככל שהמצע מכיל יותר מיקרואורגניזמים, כך יש יותר פאג'ים נחוצים.
במציאות, כל בקטריופאג מגלםאחת מיחידות היסוד הבסיסיות של ניידות גנטית. באמצעות התמרה הם גורמים להופעת גנים חדשים בחומר התורשתי של החיידק. כ-1024 תאי חיידק יכולים להידבק בשנייה. צורה זו של תשובה לשאלה אילו וירוסים נקראים בקטריופאג'ים מראה לנו בגלוי את הדרכים שבהן מידע תורשתי מופץ בין אורגניזמים חיידקיים מבית גידול משותף.
תכונות בנייה
בתשובה לשאלה איזה מבנה יש לנגיף הבקטריופאג', אנו יכולים להסיק שניתן להבחין ביניהם לפי המבנה הכימי, סוג חומצת הגרעין (n.c.), נתונים מורפולוגיים וצורת האינטראקציה עם אורגניזמים חיידקיים. גודלו של אורגניזם כזה יכול להיות קטן פי כמה אלפי מהתא החיידקי עצמו. נציג טיפוסי של פאגים נוצר על ידי ראש וזנב. אורכו של הזנב יכול להיות פי שניים עד ארבעה מקוטר הראש, אשר, אגב, מכיל את הפוטנציאל הגנטי, שקיבל צורה של שרשרת DNA או RNA. יש גם אנזים - טרנסקריפטאז, שקוע במצב לא פעיל ומוקף במעטפת של חלבונים או ליפופרוטאינים. הוא קובע את אחסון הגנום בתוך התא ונקרא קפסיד.
המאפיינים המבניים של נגיף הבקטריופאג' מגדירים את תא הזנב שלו כשפופרת חלבונים, המשמשת כהמשך לקליפה המרכיבה את הראש. ATPase ממוקם באזור בסיס הזנב, אשר מחדש את משאבי האנרגיה המושקעים בתהליך ההזרקה.חומר גנטי.
נתונים שיטתיים
Bacteriophage הוא וירוס שמדביק חיידקים. כך מסווג אותו הטקסונום בטבלת הסדר ההיררכי. הקצאת תואר להם במדע זה נבעה מגילוי של כמות עצומה של אורגניזמים אלה. סוגיות אלה מטופלות כעת על ידי ה-ICTV. בהתאם לתקנים הבינלאומיים לסיווג והפצה של טקסות בין וירוסים, הבקטריופאג'ים מובחנים לפי סוג חומצת הגרעין שהם מכילים או תכונות מורפולוגיות.
היום ניתן להבחין ב-20 משפחות, ביניהן רק 2 שייכות ל-RNA המכילות ו-5 עם קליפה. מבין נגיפי ה-DNA, רק ל-2 משפחות יש צורה חד-גדילית של הגנום. 9 וירוסים המכילים DNA (הגנום נראה לנו כמולקולה מעגלית של חומצה דאוקסיריבונוקלאית) ו-9 האחרים עם דמות ליניארית. 9 משפחות ספציפיות לחיידקים, ו-9 האחרות ספציפיות לארכיאה.
השפעה על תא החיידק
נגיפי בקטריופאג', בהתאם לאופי האינטראקציה עם תא חיידקי, יכולים להיות שונים בפאג'ים מסוג ארסי ומתון. הראשונים מסוגלים להגדיל את מספרם רק בעזרת מחזוריות ליטית. התהליכים שבהם מתרחשת האינטראקציה של הפאג הארס והתא, מורכבים מספיחה על פני התא, חדירה למבנה התא, תהליכי ביוסינתזה של יסודות הפאג והבאתם למצב תפקודי וכן שחרור של הבקטריופאג מהמארח.
בואו נשקול את התיאור של וירוסים בקטריופאג'ים על סמך פעולתם הנוספת בתא.
לחיידקים יש על פני השטח שלהם מבנים מיוחדים לפאג'ים, המוצגים בצורה של קולטנים, שאליהם, למעשה, מחובר הבקטריופאג'. באמצעות הזנב, הפאג', באמצעות האנזימים המצויים בקצהו, הורס את הממברנה במיקום מסוים של התא. יתר על כן, התכווצות שלו מתרחשת, וכתוצאה מכך מוחדר DNA לתא. ה"גוף" של נגיף הבקטריופאג' עם מעטפת החלבון שלו נשאר בחוץ.
הזרקה שנעשתה על ידי פאג' גורמת לארגון מחדש מלא של כל התהליכים המטבוליים. הסינתזה של חלבוני חיידקים, כמו גם RNA ודנ א, הושלמה, והבקטריופאג' עצמו מתחיל את תהליך השעתוק הודות לפעילותו של אנזים אישי בשם טרנסקריפטאז, המופעל רק לאחר כניסה לתא החיידק.
הן שרשראות מוקדמות ומאוחרות של RNA שליח מסונתזות לאחר שהן נכנסות לריבוזום של תא הנשא. תהליך הסינתזה של מבנים כמו נוקלאז, ATPase, ליזוזים, קפסיד, תהליך זנב ואפילו DNA פולימראז מתרחש גם שם. תהליך השכפול מתנהל על פי מנגנון חצי שמרני ומתבצע רק בנוכחות פולימראז. חלבונים מאוחרים נוצרים לאחר השלמת תהליכי השכפול של חומצה deoxyribonucleic. לאחר מכן, מתחיל השלב האחרון של המחזור, בו מתרחשת הבשלת פאג. זה יכול גם לשלב עם מעטפת החלבון וליצור חלקיקים בוגרים המוכנים להדבקה.
מחזורי החיים
ללא קשר למבנה של נגיף הבקטריופאג', לכולם יש מאפיין משותף של מחזורי חיים. בהתאם למתינות או ארסיות, שני סוגי האורגניזמים דומים זה לזה בשלבי ההשפעה הראשוניים על התא עם אותו מחזור:
- תהליך ספיחת הפאג על קולטן ספציפי;
- הזרקת חומצות גרעין לקורבן;
- מתחיל את התהליך המשותף של שכפול של חומצות גרעין, הן פאג' והן חיידקים;
- תהליך חלוקת התא;
- פיתוח בדרך ליזוגנית או ליטית.
הבקטריופאג הממוזג שומר על מצב הנבואה, עוקב אחר המסלול הליזוגני. נציגים ארסיים מתפתחים בהתאם למודל הליטי, שבו יש סדרה של תהליכים עוקבים:
- הכיוון של סינתזת חומצות גרעין נקבע על ידי אנזימי פאג', המשפיעים על המנגנון האחראי על סינתזת חלבון. הטפיל מתחיל את השבתת ה-RNA וה-DNA השייכים למארח, ופעולה אנזימטית נוספת מובילה לחלוטין לפיצול שלו. החלק הבא של התהליך הוא ה"כפיפות" של המנגנון הסלולרי לסינתזת חלבון.
- Phage n. עוברת שכפול וקובעת את כיוון הסינתזה של קליפות חלבון חדשות. תהליך היווצרות הליזוזים כפוף ל-Page RNA.
- תמוגגת תאים: קריעת תאים הנגרמת על ידי פעילות ליזוזים. מספר עצום של פאגים חדשים משתחררים, שידביקו עוד יותר אורגניזמים חיידקיים.
שיטות הפעולה
וירוסיםבקטריופאג'ים מוצאים את היישום הרחב שלהם בטיפול מסוג אנטיבקטריאלי, המשמש כחלופה לאנטיביוטיקה. בין האורגניזמים שעשויים להיות ישימים, הנפוצים ביותר המובחנים הם: סטרפטוקוק, סטפילוקוק, קלבסיאלה, קולי, פרוטאוס, פיובקטריופאג'ים, פוליפרוטאינים ודיזנטריה.
שלושה עשר חומרים רפואיים המבוססים על פאג'ים רשומים ומיושמים בפועל בשטח הפדרציה הרוסית למטרות רפואיות. ככלל, שיטות כאלה למלחמה בזיהומים משמשות כאשר צורת הטיפול המסורתית אינה מובילה לשינויים משמעותיים, אשר נגרמת על ידי רגישות חלשה של הפתוגן לאנטיביוטיקה עצמה או עמידות מלאה. בפועל, השימוש בבקטריופאג'ים מוביל להשגה מהירה ואיכותית של ההצלחה הרצויה, אך הדבר מצריך נוכחות של קרום ביולוגי המכוסה בשכבת פוליסכרידים, שדרכו אנטיביוטיקה לא יכולה לחדור.
הסוג הטיפולי של היישום של נציגי הפאג'ים אינו מוצא תמיכה במערב. עם זאת, הוא משמש לעתים קרובות כדי להילחם בחיידקים הגורמים להרעלת מזון. ניסיון רב שנים בחקר פעילותם של בקטריופאג'ים מראה לנו שנוכחות, למשל, של הפאג' הדיזנטריה במרחב המשותף של ערים וכפרים גורמת לחשיפת המרחב לאמצעי מניעה.
מהנדסים גנטיים מנצלים בקטריופאג'ים כווקטורים להעברת מקטעי DNA. וגם בהשתתפותם, מתבצעת העברת מידע גנומיבין תאי חיידקים המקיימים אינטראקציה.
