Бактериофаги — Фаги — пожиратели бактерий

Сколько вдохновенных строк посвятили поэты воспеванию безмятежного покоя природы! Но в тихом лесу, на просторах степей, не прекращаясь ни на миг, идет непрмиримая борьба между зелеными соседями. А какие сражения происходят в море между множеством живых существ! И сколько битв, схваток непрерывно совершается в мире вирусов и бактерий…

Об одной из этих удивительных битв, о битве между фагами и микробами, мы хотим рассказать.

Чудесный растворитель

В конце XIX века молодой русский ученый Николай Федорович Гамалея, придя однажды в лабораторию, с удивлением обнаружил, что питательная среда в колбе — бульон, прежде мутная от кишевших там мириадов палочек сибирской язвы, почему-то не содержала уже и следа грозных бактерий. Бульон был чист и прозрачен. Бактерии чудесным образом растворились. Каково же было изумление исследователя, когда оказалось, что прозрачная среда приобрела способность растворять новые порции вредных бактерий.

В 1917 году французскому исследователю д’Эреллю удалось глубже проникнуть в тайну этого странного исчезновения микробов. Стремясь понять причину необычного процесса растворения, когда сила растворителя не убывала, а с каждым часом возрастала, ученый открыл новый мир мельчайших существ — виновников гибели бактерий. Он назвал этих злейших врагов микробов бактериофагами (слово «фаг» по гречески означает пожиратель) В буквальном смысле бактериофаг — пожиратель бактерий.

Ученый установил, что фаги, как тень, следуют за микробами. Везде, где есть микробы, могут быть найдены и фаги. Вездесущие спутники микробов, они живут в кишечнике больных и здоровых людей, на росистой траве лугов, в воде тихих рек и озер, в воздухе, на поверхности фруктов и овощей. Почти все породы микробов имеют свой специальный вид фага. Только пневмококки, спирохеты, микроскопические грибы и дрожжи не имеют подобных врагов, а может быть, их еще не обнаружили.

У фагов прихотливые вкусы. Они нападают только на свой вид микроба и оставляют без внимания чужие. Так, фаги растворяют только брюшнотифозные бактерии, а дизентерийным палочкам эти фаги не опасны.

Природа заложила в фаги неабыкновенную жизненную стойкость к физическим и химическим воздействиям: некоторые из них могут годами сохраняться в высушенном состоянии, переносить тепло до плюс 100 гродусов и холод до минус 185 градусов, выдерживать давление 3— 6 тысяч атмосфер, не терять активности даже при воздействии на них формалином, сулемой, цианистым калием.

Некоторые ученые убеждены, что фаги — это мертвое вещество типа ферментов. Они разлагают клетку бактерий подобно тому, как ферменты расщепляют белки на их составные части — аминокислоты.

Большинство ученых причисляют этот необыкновенный растворитель к живому миру, к миру вирусов. И в самом деле, между фагами и вирусами много общего: эти ультрамикроскопические создания сходны по размерам частиц, по химической структуре. Они размножаются только внутри живых клеток, не растут на искусственных питательных средах. Так же как вирусы заражают человека и иногда приводят к тяжелым результатам, фаги, эти хищники невидимого мира, нападают на бактерии, уничтожают их. Многие ученые называют фаг бактериальным вирусом.

Лицо невидимого врага микробов

Только в 1941 году, ученым впервые удалось увидеть разрушителя бактерий. Сквозь волшебную линзу электронного микроскопа место сражения фагов с микробами выглядит весьма драматически. На бесконечно малом поле битвы, точно останки допотопных чудовищ, темнеют разрушенные скелеты того, что было бактериями. А рядом, как рой странных серебряных головастиков, блестят какие-то крошечные частицы. Это— фаги, мельчайшие существа, разрушившие клетку и размножившиеся на ее обломках.

Они слегка блестят потому, что на них особым способом исследователи наносят слой серебряной или золотой пыли.

Сотни вопросов возникли сразу же после того, как впервые удалось разглядеть таинственного убийцу микробов.

Из какого строительного материала сделаны эти крохотные головастики? Все ли они одинаковые? Сколько их рождается одновременно?

У исследователей был неиссякаемый запас терпения. Новые методы электронной микроскопии, тысячи снимков фагов, многие сотни сложнейших лабораторных опытов показали, что величина фагов исчисляется миллимикронами, то есть миллионными долями миллиметра. Тело фага состоит из особых ядерных (дезоксирибонуклеиновых) кислот, закутанных в плотную белковую оболочку. Головка фага имеет иное строение, чем хвост, даже разные части хвоста не похожи друг на друга.

Фаг представляет нить, закрученную в месте головки в спираль. Ученый установил, что под влиянием высоких давлений, в несколько тысяч атмосфер, эта спираль раскручивается. Утратив присущую ему форму, фаг терял и способность растворять бактерии.

На поле битвы…

Но вернемся к безмолвной гибели бактерий, пораженных бактериофагами. Что знает о ней наука? Фаг уничтожает только живых бактерий, на мертвых он не нападает. Процесс размножения бактериофага происходит одновременно с растворением бактерий. Вот почему его количество возрастает по мере гибели клеток.

Мощь этих частиц удивительна. Иногда под могучим натиском сонма фагов микробная клетка погибает сразу, подобно тому, как гибнет она от воздействия антибиотиков.

Но обычно фаг расправляется со своей добычей по иному, постепенно проникая внутрь клетки. Периферическая часть хвоста фага расщепляется на тонкие волокна, и он как бы привязывается к бактерии. Но как пробраться внутрь? И природа снабдила фага волшебным жезлом, который открывает перед ним двери клетки. Из крохотных волоконец хвоста фага выделяется особый фермент, растворяющий оболочку микроба; в месте прикрепления фага возникает точечное отверстие. Как ни малы его размеры, они все же вполне достаточны, чтобы пропустить туда содержимое фаговой частицы. Белок фага сокращается подобно упругому мышечному волокну, и ядерная кислота фага, как из шприца, впрыскивается в сердцевину микроба. Сам шприц (оболочка фага) остается на поверхности клетки.

Любопытно, что стенка бактерии, пропустив внутрь одну частицу фага, становится непроницаемой для других частиц этого же фага — тело микроба как бы одевается крепким панцирем.

Что происходит дальше в теле бактерии, побежденной фагом, пока неизвестно. Словно сказочная шапка-невидимка скрывает фага от глаз человека, вооруженных сверхмощными электронными микроскопами. Фаг как бы растворяется в клетке.

Через 20—90 минут оболочка клетки распахивается — фаг разрывает ее в клочья. Сотни молодых фаговых частиц выходят на простор, набрасываясь на новые клетки. В питательной среде бактерии размножаются и тут же растворяются. С каждым часом растет количество фага, пока, наконец, среда не становится совершенно прозрачной. Однако эта прозрачность обманчива — раствор насыщен невидимыми частицами фага.

Противники заключают перемирие

Но далеко не всегда поединок фага и микроба оканчивается так, как мы рассказали. Исследования показали, что гибель клетки под натиском фаговых частиц — только частный случай глухой борьбы фага с микробом. Испытания, постигающие бактерию в битве с фагом, закаляют ее, и она плодит потомство, устойчивое к своему фагу. Но и фаг с присущей ему поразительной способностью приспособления находит новые пути сосуществования со своим противником. В самом деле, если бы всякая встреча с фагом заканчивалась для бактерий смертельно, то великая битва в невидимом мире принесла бы гибель не только микробам. Исчезли бы и победители — фаги, не найдя для себя больше пищи.

И вот враги находят пути перемирия. Умиротворенные фаги, проникая в бактерию, не убивают ее, а живут там, попадая в дочерние клетки при ее делении. Здесь, под оболочкой клетки, фаг как бы замурован заживо. Соединяясь с телом хозяина, он живет там в многочисленных поколениях, не причиняя вреда своему хозяину.

Выгадывают от этой совместной жизни и фаг и микроб. Фаг сохраняется в клетке как вид. Клетке, где укрывается фаг, не грозит опасность погибнуть от нападения других, родственных, фагов.

Это явление, названное иммунитетом клетки, по-видимому, имеет колоссальное общебиологическое значение. Возможно, именно таков характер невосприимчивости, развиваемой тканями животных и человека к вирусам инфекционных болезней.

Находясь в сердцевине бактерии, фаг, сохраняя свою индивидуальность, в то же время приобретает и качества бактерии. Перебравшись на другую бактерию, фаг может привить ей некоторые свойства своего прежнего хозяина. Так, некоторые фаги, пожившие внутри стрептомицино-устойчивых бактерий, могут, заражая чувствительные к этому антибиотику бактерии, сообщать им устойчивость.

Изучение явления сосуществования фага и микроба поднимает из глубин неизвестности и некоторые другие сокровенные тайны мира микробов.

Соратник в битве с болезнями

В далекой Индии, в Пенджабе, в 1927 году из селения в селение поползла холера. Здесь и там на пути болезни погибали люди.

Сюда, в самое пекло эпидемии, прибыл бесстрашный ученый д’Эрелль, чтобы проверить новое лечебное средство против холеры — открытый им бактериофаг. Больным давали пить холерный фаг. Силой могущественного лекарства эпидемия была приостановлена и быстро пошла на убыль. Так впервые зарекомендовал себя растворитель микробов.

И в дальнейшем делались попытки лечить фагом другие заболевания; невидимый враг микробов входит в состав препарата, применяемого для лечения чумы. Хирурги применяют стрептококковые и стафилококковые фаги в борьбе с гнойными воспалениями ран и заражением крови. Анаэробные фаги — хорошее средство против газовой гангрены.

Известный успех завоевал противник бактерий для предупреждения болезней. Врачи дают его здоровым людям, соприкасающимся с больными брюшным тифом, холерой или дизентерией. Человек принимает 30—50 кубических сантиметров бактериофага, запивая его пятипроцентным содовым раствором, который нейтрализует соляную кислоту желудка и не дает ей разрушить бактериофаг. Не успев навредить, болезнетворные микробы растворяются фагом. Фаг обладает защитными свойствами в течение нескольких дней.

Фаг — следопыт

…Река протекала сразу же за домами поселка. Мирно несла она свои тихие воды, омывая берега, поросшие редким камышом. Вода была холодная, прозрачная, и потому жители поселка нередко использовали ее для питья и других хозяйственных нужд.

Зимой в поселке заболела дизентерией жена лесоруба, а вскоре — и другие жители. Оказалось, что причиной заболеваний явилось питье зараженной воды. Но доказать это было очень трудно: выделить из воды дизентерийную палочку не удалось. И вот на помощь врачам был привлечен бактериофаг…

Профессор В. Д. Тимаков и доктор медицинских наук Д. М. Гольдфарб разработали новый метод обнаружения болезнетворных бактерий. Ученые получили фаги, способные размножаться только на дизентерийных бактериях.

Если в воде есть хотя бы единичные дизентерийные палочки, то стоит добавить в колбу с водой небольшое количество бактериофага, как он начинает стремительно размножаться. Если вода не заражена, фага в ней остается столько, сколько было добавлено.

В речной воде, о которой шла речь, количество фага увеличивалось, и это свидетельствовало о присутствии там дизентерийных бактерий. Так ученые помогли определить зараженность воды с помощью фага. С помощью специальных фагов можно находить в воде, в пищевых продуктах, а также в кале больных бактерий брюшного тифа, холерных вибрионов, чумную и бруцеллезную палочку, некоторые виды салмонелл.

…Немало услуг оказывает бактериофаг и врачам-эпиде-миологам. Забравшись внутрь брюшнотифозных бактерий, фаг выборочно допускает туда своих собратьев: клетка получает стойкость к одним фагам, но может растворяться другими. Микробы несут на себе как бы фаговую «метку», позволяющую отличать их друг от друга. Определение групповой принадлежности выделенных микробов позволяет подтвердить или отвергнуть эпидемиологические связи между отдельными случаями заболеваний брюшным тифом. Это помогает своевременно проводить профилактические мероприятия, предупреждающие дальнейшее распространение опасного заболевания. Вот этому пример.

В различных районах города стали появляться единичные случаи брюшного тифа. Врачи отмечали на карте каждое новое заболевание, прослеживали связь между ними и не находили источника заражения. Общим было лишь то, что все больные питались нерегулярно, в разных местах, нередко закусывали на ходу.

Культура брюшнотифозной палочки, выделенная от этих больных, имела одну и ту же фаговую «метку». Это заставило усилить поиски. Наконец, свет истины блеснул перед врачами — оказалось, что все больные ели сыр, купленный в магазине, расположенном в центре города. При тщательной проверке сотрудников этого безукоризненного торгового заведения был обнаружен недавно поступивший на работу и еще не обследованный врачами продавец — хронический бациллоноситель. Было установлено, что этот человек выделял миллионы брюшнотифозных бактерий той же фаговой «метки», что и заболевшие. Он был немедленно отстранен от работы в магазине и направлен на лечение. Заболевания в городе прекратились.

Подобным же образом фаги помогают разобраться в сложнейших лабиринтах эпидемиологических связей, выслеживать невидимые пути распространения салмонеллезных палочек и золотистых стафилококков, обладающих опасным свойством отравлять пищу, дифтерийных бактерий — злейших врагов детей, а также холерных вибрионов, до сих пор угрожающих здоровью населения некоторых стран.

Наблюдения над жизнью фагов и микробов проливают свет на некоторые тайны вирусов. Фаг — прекрасная модель для изучения размножения вирусов, а также для испытания лекарственных средств, действующих против них.

Предпринимаются попытки использовать фаги при решении некоторых вопросов, связанных с происхождением и лечением различных опухолей.

Мы приоткрыли только одну страницу огромной книги, рассказывающей о жизни фагов и микробов. В изучении сложных связей между этими существами — ключ ко многим тайнам невидимого мира.