Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Молекулярная генетика и системы регуляции
Модификация структуры клеточной ДНК
Вирусы и фаги; лизогения и трансдукция

Мы знаем, что вирусы вызывают целый ряд заболеваний человека, в том числе обычные респираторные заболевания, грипп, оспу, полиомиелит, желтую лихорадку, свинку, корь и многие другие. Они способны поражать и бактерии; вирусное заражение может крайне неблагоприятно влиять на различные промышленные биологические процессы с участием бактерий, в частности в сыроделии и производстве антибиотиков. Вирусы, заражающие бактерии, называют бактериофагами или просто фагами.

Вирусные частицы построены из белков и нуклеиновой кислоты и могут включать, кроме того, липопротеины. Основная функция вирусных белков заключается в создании оболочки (капсида), защищающей вирусную нуклеиновую кислоту, а иногда в адсорбции вируса на поверхностных рецепторах живых клеток. Вирусное заражение и его последствия обусловливаются именно нуклеиновой кислотой ДНК или РНК. В табл. 6.4 перечислены свойства ряда вирусов; вирусная нуклеиновая кислота может быть одно- или двухцепочечной, линейной или кольцевой.

Вне живой клетки определенного типа вирус представляет собой инертную частицу, не способную к самовоспроизведению. Вирус размножается только после проникновения в клетку-хозяина. Таким образом, вирусы являются типичными паразитами. Короткая сводка основных различий между вирусами и живыми клетками приведена в табл. 6.5.

Теперь рассмотрим типичный «жизненный цикл» вирусов на примере инфицирующего бактерию Е. coli вируса, называемого фагом λ. Фаг прикрепляется к клеточной стенке и затем вводит свою ДНК в клетку. Начиная с этого момента возможны два альтернативных пути. В одном из этих путей, называемом лизогенией, ДНК фага (ее в этом случае называют профагом) внедряется в хромосому бактерии. В этом случае клетка нормально живет и самовоспроизводится, одновременно копируя профаг и создавая таким образом новые лизогенные клетки. Подобные фаги, находящиеся в лизогенном взаимодействии с клеткой-хозяином, называют умеренными.

Другой возможный вариант возникновения заражения клетки фагом называется литическим циклом; он неизбежно приводит к гибели клетки-хозяина. Инфекция литическими фагами, например фагом Т₂, всегда приводит к литическому циклу. Во время литического цикла фаг находится в так называемом вегетативном состоянии, когда ДНК фага, по сути дела, контролирует все клеточные процессы. Прежде всего фаговая ДНК заставляет рибосомы синтезировать ферменты, разрушающие ДНК клетки-хозяина (эта особенность, впрочем, присуща не всем вирусным инфекциям) и содействующие многократному копированию фаговой ДНК. Затем синтезируются белки, необходимые для формирования интактных частиц фага. Эти белки спонтанно соединяются с ДНК фага, образуя зрелые высокоорганизованные частицы бактериофага. По завершении процесса самосборки множества новых фагов начинается синтез фермента лизоцима. Как мы уже знаем, этот фермент разрушает муреин клеточных стенок бактерий. Таким путем осуществляется лизис, в результате которого клетки разрушаются, высвобождая множество фагов.

Таблица 6.5. Сравнение свойств вирусов и клеток

Уже этот краткий обзор природы фагов достаточно ясно показывает, почему фаговая инфекция промышленных культур бактерий может представлять собой серьезную проблему. Частицы фагов очень малы, в соответствующей среде они могут размножаться очень быстро, и в то же время в состоянии относительного покоя — лизогении их обнаружение может быть непростой задачей.

Иногда в процессе репродукции фага в клетке-хозяине образуются фаговые частицы, содержащие небольшой фрагмент (примерно от 1 до 2%) хромосомы клетки-хозяина. Когда такой трансдуцирующий фаг вводит свою ДНК в другую бактерию, перенесенная из первой клетки ДНК может подвергнуться кроссинговеру с фрагментом хромосомы нового хозяина. Результатом этого процесса, называемого трансдукцией, может быть изменение генетических характеристик клетки — нового хозяина фага. Обычно кроссинговер осуществляется только между фрагментами ДНК, содержащими гомологичные нуклеотидные последовательности, которые контролируют сходные характеристики клеток. Например, в результате трансдукции фаг может перенести небольшой фрагмент ДНК, обеспечивающий усвоение лактозы, от утилизирующего лактозу штамма Е. coli к другому штамму Е. coli, неспособному выполнять эту операцию. На рис. 6.14 приведена упрощенная схема трансдукции и кроссинговера сегментов ДНК.

РИС. 6.14. Схематическое изображение модификации бактериальной хромосомы путем трансдукции — процесса, протекающего при участии бактериофагов.

Известно, что трансдукцию легко претерпевают многие актиномицеты. В ходе изучения трансдукции в Streptomyces griseus с помощью фагов удалось передать способность синтезировать антибиотик стрептомицин от продуцирующего к непродуцирующему штамму. Некоторые из подвергшихся трансдукции культур обладали большей продуктивностью в отношении антибиотика, чем даже исходные синтезирующие штаммы.