Изменчивость фагов и изменчивость микроорганизмов под влиянием фагов

Фаги, как и микроорганизмы, способны изменять все свои свойства: форму и размеры негативных колоний, спектр литического действия, способность к адсорбции на микробной клетке, устойчивость к внешним воздействиям, антигенные свойства. Особенно часто наблюдаются изменения морфологии негативных колоний, спектра литического действия и превращение умеренных фагов в вирулентные.

Большие изменения могут наблюдаться в тонкой структуре фаговой частицы - возникают дефектные частицы, лишенные головки, отростка, нитевидных образований или других субструктур.

Таблица 58. Бактериальный рак томатов: 1 - больной куст; 2 - зеленый больной плод, пятна 'птичий глаз'; 3 - больной спелый плод и его поперечный разрез; 4 - поперечный (слева) и продольный (справа) разрезы больного стебля (побурение сосудов)

Изменения фагов могут быть наследственными (мутации) и ненаследственными (фенотипические). Фенотипические изменения зависят от условий, в которых образуются фаговые частицы. Важное значение имеют изменения, вызываемые клеткой-хозяином, т. е. той культурой, на которой фаг размножается. Эти изменения большей частью носят фенотипический характер и касаются преимущественно формы негативных колоний, спектра литического действия и вирулентности. Под влиянием клетки-хозяина возможны и стойкие изменения типа мутаций. С помощью разных мутагенных факторов (лучистой энергии, химических агентов) могут быть получены разнообразные мутанты.

Особый интерес представляют изменения, происходящие при одновременном размножении на одной и той же культуре двух родственных по антигенным свойствам фагов. При этом в потомстве возникают частицы каждого из этих фагов и, кроме того, формы, которые приобрели свойства обоих родителей (гибридные формы).

Под влиянием фагов могут существенно изменяться все свойства микроорганизмов - морфология клеток, строение колоний, токсичность, подвижность и т. д. Изменения, вызываемые фагом, могут быть наследственными и ненаследственными. Механизмы, приводящие к изменению клеток под влиянием фагов, различные. В отдельных случаях фаг играет лишь роль отбирающего фактора: под его влиянием лизируются все чувствительные к нему клетки данной популяции и остаются лишь те клетки, которые еще до воздействия фагом были по разным причинам устойчивы к нему.

При выращивании микроорганизмов в жидкой среде совместно с активным против них фагом обычно наблюдается следующее. Сначала среда мутнеет, а затем просветляется в результате лизиса клеток. В ряде случаев через некоторое время (разное для разных микробов и фагов) культуральная жидкость снова мутнеет. Помутнение среды происходит вследствие возобновления роста культуры. На агаризованных средах при нанесении фага на газон чувствительной к нему культуры можно наблюдать вначале лизис культуры в местах нанесения фага, а через некоторое время на лизированных участках появляется рост культуры, обычно в виде отдельных колоний (рис. 218).

Вырастающие после лизиса микроорганизмы получили название культур вторичного роста. Анализ культур вторичного роста показывает, что в одних случаях они состоят из вариантов, ставших стабильно устойчивыми к данному фагу, в других - из нестойких форм. Культуры, ставшие устойчивыми к фагу, могут одновременно приобрести и ряд новых свойств. Этим обычно пользуются при получении фагоустойчивых культур для промышленных целей.

В последние годы были выявлены два принципиально различных механизма изменчивости клеток под влиянием фагов - трансдукция и лизогенные конверсии.

Таблица 59. Дефектные фаговые частицы: 1 - Actinomyces streptomycini - продуцента антибиотика стрептомицина; 2 - клубеньковых бактерий люцерны; 3 - энтомопатогенных бацилл; 4 - кишечной палочки; 5 - полилизогенная культура актиномицета, содержащая нормальные и дефектные фаговые частицы. Увел.: 1 - Х 400 000; 2 - Х 160000; 3 - Х 520000; 4 - Х 100000; 5 - Х 300 000

Трансдукция (перенос). При размножении определенных умеренных фагов на чувствительных к ним культурах фаговая частица захватывает какой-нибудь фрагмент генетического материала данной клетки. При воздействии этим же фагом на другую чувствительную к нему культуру он передает новой культуре захваченный фрагмент. Культура, от которой фаг переносит генетический материал, получила название донора (дающая), а культура, приобретающая генетический материал, -реципиента (получающая).

При трансдукции фаг играет роль механического переносчика; лизогенизация клетки не обязательна. Один и тот же фаг может переносить разные свойства.

Трансдукция происходит довольно редко: из одного и более миллионов фаговых частиц только одна способна осуществлять трансдукцию. При помощи трансдукции удавалось перенести от клеток-доноров клеткам-реципиентам различные свойства: токсичность, устойчивость к антибиотикам, способность продуцировать определенные ферменты, антигенные и другие свойства.

Лизогенные конверсии (превращения). Как уже отмечалось, при лизогенизации клетка-хозяин приобретает устойчивость к данному фагу, а также способность продуцировать зрелые частицы этого фага. Однако этим не ограничиваются изменения, вызванные фагом при лизогенизации. Многочисленными опытами на микроорганизмах самых различных систематических групп было показано, что при лизогенизации клетка приобретает новые, точно определенные свойства, характер которых зависит от особенностей данного фага.

В отличие от трансдукции, при которой фаг выступает в роли механического переносчика генетического материала, при лизогенизации сам фаг (вернее, его нуклеиновая кислота) является тем генетическим материалом, который в виде профага придается генетическому материалу клетки. Поэтому при лизогенизации не имеет значения культура, на которой размножался данный умеренный фаг.

Рис. 218. Появление колоний вторичного роста после лизиса актинофагом. Культура Act. orientalis продуцирует антибиотик ванкомицин

Наиболее детально лизогенные конверсии изучены у некоторых патогенных бактерий, преимущественно у дифтерийной палочки и сальмонелл.

Дифтерийная палочка содержит три разных фага. Оказалось, что только один из них (фаг бета) влияет на образование этой культурой токсина. При отсутствии в клетке фага бета культура не продуцирует токсина. Если нетоксичную дифтерийную культуру лизогенизировать фагом бета, то она приобретает способность образовывать токсин.

Опытами на сальмонеллах было показано, что токсичность, антигенные свойства, подвижность и другие признаки связаны с наличием в этих культурах строго определенных фагов. Среди споровых бактерий группы клостридий имеются виды, образующие ботулинический токсин, вызывающий опасные пищевые отравления. Недавно удалось выяснить, что эти культуры полилизогенные и один из содержащихся в них фагов вызывает образование токсина. Для ряда культур показано, что способность продуцировать определенные ферменты, антигенные и другие их свойства связаны с лизогенизацией определенными фагами. Была выявлена одна полилизогенная культура актиномицета, которая содержала 4 разных фага. Из них один определял способность культуры продуцировать антибиотик. После удаления его культура теряла способность продуцировать антибиотик. При лизогенизации неактивной культуры этим фагом она вновь приобретала способность образовывать антибиотик.

К сожалению, еще у очень многих лизогенных культур микроорганизмов не установлено, какие свойства их связаны с фагами. Выяснение этого вопроса - одна из важнейших задач микробиологов и генетиков.