Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Фаги бактерии  – рабочая лошадка фундаментальных исследований, были пронумерованы от типа 1 до типа 7. Было показано, что фаги способны связываться с поверхностью бактерий и вводить избранным бактериям свою ДНК, находящуюся на головке фага, через контрактильный хвост. На электронных микрограммах показаны фаги с симметричными головками и петлеобразными антеннами. Их внешний вид стал символом вирусов, несмотря на то, что не все вирусы выглядят одинаково. Существуют фаги, не имеющие хвостов или антенн. Кроме того, при подготовке фагов для электронной микроскопии антенны легко теряются. Честно говоря, было довольно трудно найти хорошие фотографии для этой книги. После попадания в бактерию у ДНК фага есть два варианта. Она может существовать в качестве эписомы вне бактериальной ДНК, часто в круглой форме, и реплицироваться там, обусловливая появление нескольких сотен потомков фагов и лизис бактерий. Или же ДНК фага может интегрироваться в хромосому хозяина – это безопасное место для вирусной ДНК, и обычно это безопасно для бактерии-хозяина. Такая ДНК, называемая ДНК профага, передается следующим поколениям бактерий. Много позже понятие «профаговая ДНК» использовал Хоуард Темин, но изменил его на «провирусную ДНК» для ретровирусов, которые также могут интегрироваться в качестве провирусной ДНК в хромосомы клетки-хозяина и передаваться следующим поколениям. Ретровирусы должны (заблаговременно) перенести генетический материал из РНК в ДНК, что является еще одним дополнительным шагом. Но и в остальном у фагов и ретровирусов много общего. Насколько же высок уровень консервативности на всем пути от фагов до ретровирусов! Это должно означать, что они родственны и этот механизм имеет серьезные преимущества с точки зрения эволюции.

У бактерий стресс может активировать «застывший» фаг и прекратить этот процесс, так называемое «умеренное» или лизогенное состояние. Затем ДНК фага выделяется из генома бактерии и происходит лизис бактерий – литическое состояние – высвобождение сотни новых потомков фагов. У млекопитающих (включая людей) существуют литические вирусы, которые ведут себя так же, за исключением ретровирусов, которые обычно покидают своего хозяина путем «отпочкования», не лизируя его.

Что подразумевает понятие «стресс» применительно к бактериям? Практически то же самое, что и для нас: нехватка питательных веществ, недостаточность пространства, слишком быстрый рост, слишком низкая или высокая температура, общее изменение окружающей среды. Можно даже сравнить бактерии и другие организмы, включая человека, в части, касающейся активации стрессовых факторов путем сигнализации. Сигналы передаются извне клеток и приводят к регуляции генов на уровне ДНК и генной экспрессии. Удаление репрессоров или включение активаторов может активировать лизис клеток или оказать иное воздействие на бактерии и клетку-хозяина.

В океане может наблюдаться избыточный рост водорослей вследствие попадания в морскую воду излишков питательных веществ, которыми удобряют близлежащие поля. Удобрения вымываются дождями или переносятся реками в океаны, где могут накапливаться. Высокая температура воздуха также может стимулировать рост водорослей. Если осенью плотность бактерий слишком высока, активизируются фаги, их число многократно увеличивается, и они лизируют своих хозяев-бактерии. Итак, спектакль окончен. Питательные вещества оседают на дне, где служат пищей для других организмов и используются повторно. Таким образом, фаги являются регуляторами пищевой цепочки и поставщиками питательных веществ для животных, обитающих в океанах; они регулируют плотность популяций бактерий и других организмов-хозяев. Фаги – специалисты по регулированию динамики популяций.

Соотношение фагов и бактерий составляет примерно 100 : 1, а по мере увеличения глубины доходит до 225 : 1. Фаги действуют специфически: лизируют «победителей» среди бактерий, поскольку именно их оказывается больше всего. Их девиз: «Убей победителя». Так обеспечивается видовое многообразие, поскольку фаги не дают победителям остаться единственными выжившими бактериями и «убрать со своего пути» менее «успешных» собратьев. И что довольно интересно, фаги дают шанс оставшимся в меньшинстве бактериям. Это может натолкнуть читателя на мысль о других сообществах.