Как протекает фаговая инфекция
Начинается все с того, что вирусная частица случайно сталкивается с клеткой бактерии. Фаг способен заразить вовсе не любую бактерию. Например, фаг, заражающий кишечную палочку, не замечает – сколько бы он с ними ни сталкивался – клетки стафилококка, и наоборот. Больше того, у той же кишечной палочки известно много разновидностей (их называют штаммами), и фаги, как правило, способны очень хорошо их различать. Они охотно заражают одни штаммы и совершенно игнорируют другие. Почему так происходит? Дело в том, что на поверхности бактериальной клетки есть структуры, к которым базальная пластинка фага по форме подходит, как ключ к замку. Такие структуры называются рецепторами. Есть рецептор для данного фага – фаг способен заражать эту бактерию, а эта бактерия способна стать его хозяином. Не подходит ключик? – Ну, стало быть, эта бактерия не для него.
Возникает вопрос, почему бактериальная клетка вынуждена жить под постоянной угрозой фаговой интервенции, не проще ли незаметно потерять где–то эти рецепторы и стать неприступной для фага? Но фаг тоже не прост, он использует в качестве причала структуры, предназначенные не для него, а совсем для других целей и жизненно важные для клетки, у которой, стало быть, есть веские причины не лишаться их.
Если фаг и бактерия узнали друг друга, фаг прочно связывается с ее поверхностью. Дальнейшая задача вируса состоит в том, чтобы ввести свой генетический материал внутрь бактериальной клетки, не нанеся ей – до поры до времени – вреда. Вот как это делает, например, фаг Т4, заражающий кишечную палочку – обычного обитателя нашего кишечника.
Бактериофаг Т4 является одним из наиболее сложно устроенных вирусов. Несколько вытянутая головка служит контейнером для хранения нуклеиновой кислоты. Сокращение чехла обеспечивает прободение бактериальной стенки. По внутреннему каналу стержневого отростка фаговая ДНК перемещается внутрь бактериальной клетки. К шестиугольной базальной пластинке крепятся длинные нити – фибриллы, которые обеспечивают начальный контакт фага с поверхностью бактерии. Чехол с одной стороны жестко закреплен на фаговой головке, а с другой прикреплен к базальной пластинке, находящейся на конце отростка. Чехол заметно короче отростка, поэтому, подобно пружине, пребывает в растянутом состоянии. После стыковки фага с бактерией форма базальной пластинки меняется, она больше не может удерживать чехол в растянутом состоянии, тот сжимается, и жесткий стержень как бы выстреливает из чехла, проминая клеточную стенку бактерии.
Бактериофаг Т4: 1 – головка; 2 – отросток, покрытый чехлом;3 – базальная пластинка; 4 – длинные фибриллы
Одного механического усилия недостаточно. Прогибаясь, клеточная стенка успешно сопротивляется попытке фагового отростка проткнуть ее, но оказывается бессильной противостоять секретному оружию фага – ферменту лизоциму, который находится вблизи острия отростка и, войдя в плотный контакт с клеточной стенкой, моментально прогрызает в ней дыру. Наконец–то стержень отростка пронзает клеточную стенку насквозь. Тут же по внутреннему каналу отростка, как сквозь игольное ушко, в бактерию впрыскивается нуклеиновая кислота, до того момента покоившаяся в фаговой головке.
На первый взгляд, задача может показаться не слишком сложной, но надо учесть, что молекула ДНК – очень длинная и чрезвычайно плотно упакована. Если уж сравнивать внутренний диаметр канала с игольным ушком, то в этом масштабе длина нити ДНК будет около метра, а скорость ее разматывания напоминает разматывание лески с катушки спиннинга при забрасывании блесны. И протащить нить надо так, чтобы не порвать ее. Порванная даже в одном месте, она уже неинфекционна и, стало быть, совершенно безвредна для бактерии и абсолютно бесполезна для фага.
Большинство фагов не имеют сократимого чехла, не говоря уже о том, что у многих и отростка–то никакого нет, ни большого, ни маленького. А преграда на пути серьезная – клеточная стенка бактерии. Она состоит из нескольких слоев и, подобно неповрежденной коже человека или кутикуле на поверхности листа, совершенно непроницаема для вируса. Как–то ее надо продырявить, и, так или иначе, все фаги умеют это делать.
Например, многие фаги связываются только с половыми пилями – нитевидными выростами на мужских клетках кишечной палочки. Да, как ни удивительно, у бактерий есть пол, мужской и женский, а у мужских клеток есть вырост, с помощью которого они конъюгируют с женской клеткой. Облепив вырост, фаги внедряют свою нуклеиновую кислоту в клетку бактерии. В общем, тем или иным способом, но фаги вводят свой генетический материал внутрь бактериальной клетки, оставляя на поверхности пустую, никому уже не нужную белковую оболочку.
Фаговая ДНК проникла внутрь бактерии. 1 – фаговая ДНК; 2 – стенка бактериальной клетки; 3 – сократившийся чехол; 4 – длинные фибриллы
С этого момента все меняется для бактериальной клетки. Вирус на время как бы исчезает. В клетке, куда проникла фаговая нуклеиновая кислота, не удается обнаружить никаких вирусных частиц. Более того, зараженная клетка выглядит совершенно нормальной. Но на самом деле жить ей осталось всего несколько минут. Под покровом клеточной стенки фаг начинает свое черное дело. Он заставляет все клеточные структуры работать на себя. Все ресурсы клетки отныне тратятся только на размножение фаговой ДНК, самой клетке уже ничего не достается. Белки образуются только фаговые, синтез клеточных компонентов совершенно подавлен или осуществляется лишь в той мере, в которой это нужно фагу. Многочисленные копии вновь образованной фаговой ДНК упаковываются в форме многогранника. Сверху они покрываются фаговым белком, и возникает зрелая фаговая головка с упакованной внутри нее ДНК. В другом месте клетки, в другом ее помещении налажено производство и сборка других фаговых белков, из которых образуется хвостовой отросток. Наконец, отростки и головки соединяются в полноценную фаговую частицу. Проникла в бактерию нуклеиновая кислота одной–единственной фаговой частицы, а теперь, через полчаса, их уже больше сотни. Им тесно, им пора покидать эту бактерию, с которой уже нечего взять. Вот только как это сделать? Бактерия мертва, но ее клеточная стенка все еще надежно удерживает взаперти многочисленное фаговое потомство.
Продольный разрез фага с пустой головкой: 1 – фибриллы, прикрепленные к головке;2 – "воротничок"; 3 – отросток;4 – канал, проходящий внутри отростка
И вновь приходит на помощь фаговый лизоцим. Он подгрызает клеточную стенку обреченной бактерии изнутри до тех пор, пока она достаточно не истончится и в конце концов не разорвется. Фаговое потомство выходит наружу и немедленно набрасывается на соседние бактерии, которые ожидает та же участь.
Такая инфекция называется продуктивной, а фаги, вызывающие продуктивную инфекцию – вирулентными.
Почему фаги не уничтожили до сих пор всех бактерий?
Потому что не всегда фаговая инфекция заканчивается столь печально для бактерии, возможны и иные исходы.
Во–первых, всегда найдется какая–нибудь паршивая, с точки зрения фага, овца, которая все стадо портит. Эта бактерия – в силу разных причин – не заразится и быстро даст потомство, невосприимчивое к данному фагу.
