Супутники мікробів

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Прийшовши якось в лабораторію, Микола Федорович Гамалія з подивом виявив, що спеціальний бульйон в колбі, перш каламутний від міріадів паличок сибірської виразки, не містив і сліду бактерій. Направивши на колбу сильне світло, вчений переконався, що зір не обдурив його: бульйон був прозорий, як кристал. Яке ж було здивування молодого дослідника, коли з’ясувалося, що прозоре середовище придбало здатність розчиняти нові порції бактерій. Це було в 1898 році. Але лише в 1917 році талановитому французькому досліднику Д’Ереллю вдалося глибше проникнути в таємницю дивного «самогубства» мікробів. Вчений відкрив новий світ ультрамікроскопічних істот – винуватців загибелі бактерій. Він назвав цих недругів мікробів бактеріофагами (слово «фаг» грецькою означає пожирач; в буквальному сенсі бактеріофаг – пожирач бактерій).

Майже всі породи мікробів мають свій спеціальний вид фага. Тільки пневмококи, спірохети, мікроскопічні гриби і дріжджі нібито не мають цих ворогів. Природа заронила в бактеріофаги разючу життєву стійкість до фізичних і хімічних впливів. Багато фагів можуть роками зберігатися у висушеному стані, переносити нагрівання до 100 градусів, витримувати заморожування при мінус 185 градусах, тиск в 3-6 тисяч атмосфер, не втрачати активності в присутності найсильніших отрут – сулеми, формаліну, ціаністого калію.

Що ж таке фаги? Деякі вчені переконані, що це мертва речовина типу ферментів. Вони розривають клітини бактерій на шматки, подібно до того, як ферменти розщеплюють білки на їх складові частини – амінокислоти. Не менш цікаві теорії, що представляють фагів носієм статевого циклу розмноження у бактерій. Однак прихильники цих поглядів нечисленні. Більшість дослідників зараховують цей незвичайний розчинник до живого світу, світу вірусів. І справді, між фагами і вірусами багато спільного: ці ультрамікроскопічні створення подібні за розмірами частинок, за хімічною структурою. Вони розмножуються тільки всередині живих клітин, не ростуть на штучних поживних середовищах. Багато вчених так і називають фаг – бактеріальний вірус.

У 1941 році вдалося вперше побачити риси розчинника бактерій. В електронному мікроскопі фаг постає подібним крихітній тенісній ракетці. Її величина обчислюється міллімікронами – мільйонними частками міліметра. Тіло фага складається з особливих ядерних (дезоксирибонуклеїнових) кислот, закутаних у щільну білкову оболонку. Головка і хвіст фага мають неоднакову будову, навіть різні частини хвоста несхожі один на одного. Російський вчений А. Е. Крісс виявив, що фаг – це найдовша нитка, закручена на місці головки в спіраль. Під впливом високих тисків – в кілька тисяч атмосфер – відбувається розкручування цієї неправдоподібно малої спіралі. Однак, втративши властиву йому форму, фаг втрачає здатність розчиняти бактерії.

Потрапляючи всередину клітини, фаг використовує її тіло для свого розмноження. Але як проникає він туди? Наблизившись впритул до стінки мікроба, периферична частина хвоста фага розщеплюється на тонкі волокна – фаг як би прилипає до бактерії. З крихітних волоконець хвоста виділяється особливий фермент, що розчиняє оболонку мікроба, – в місці прикріплення фага виникає точковий отвір. Розміри його нескінченно малі, але цілком достатні, щоб пропустити туди вміст фагової частинки. Білок фага скорочується, подібно пружному м’язовому волокну, і ядерна кислота, як зі шприца, впорскується в серцевину мікроба. Сам шприц (оболонка фага) залишається на поверхні клітини. Оболонка клітини, пропустивши всередину одну частинку фага, стає непроникною для інших часток цього ж фага – тіло бактерії хіба одягається щільною бронею.

Що відбувається далі в тілі бактерії, відданій на розтерзання фагу, невідомо. Клітина, переможена у поєдинку з фагом, змінює свій вигляд. Припиняється рух тонких волосок – джгутиків, в ядрі з’являється незвичайна зернистість, бактерія перестає розмножуватися. Хімізм взаємодії мікроба і фага ще не ясний, але , мабуть, в захопленій клітині обмін речовин змінюється на новий, угодний її повелителю – фагу. В результаті цієї, ще покритої серпанком неясності процесів і виникають в кінці прихованого періоду, що триває 20-90 хвилин, новонароджені частки фага. Оболонка клітини розпадається: фаг розносить її на друзки. Від колись грізного мікроба залишається лише легка, ледве помітна в електронному мікроскопі тінь. Сотні молодих фагових частинок виходять на простір, накидаючись на нові клітини. У живильному бульйоні бактерії розмножуються і тут же розчиняються. Тому з кожною годиною зростає кількість фага, поки нарешті середовище не стає зовсім прозорим. Однак ця прозорість оманлива: живильний розчин насичений більйонами невидимок.

Загибель клітини під беззвучним натиском фагових частинок – це тільки окремий випадок в битві фагів з мікробом. Адже справді, якби всяка зустріч з фагом закінчувалася для бактерії смертельно, то безперервна битва в світі невидимих принесла б загибель не тільки переможеним – мікробам. Зникли б і переможці – фаги, не знайшовши більше для себе їжі. Але цього не відбувається, тому що нерідко фаги, проникаючи в бактерію, не вбивають її, а, з’єднуючись з тілом господаря, живуть там в численних поколіннях. Вигода від такого спільного життя величезна і для фага і для мікроба. Фаг зберігається в клітині як вид. Мікроб ж під захистом фага вже не схильний до нападу «родичів» свого «квартиранта». Але, якщо мікробна клітина якимось чином зцілюється від перебуваючою у ній фага, їй знову загрожує небезпека загинути в бою з ним і його побратимами.

Перебуваючи в серцевині бактерії, фаг, зберігаючи свою індивідуальність, в той же час як би забарвлюється всіма відтінками клітини. Перебравшись на іншу бактерію, маленький паразит може прищепити їй деякі властивості свого колишнього господаря. Так, деякі фаги, що пожили всередині бактерій, стійких до стрептоміцину, можуть, заражаючи чутливих до цього антибіотика мікробів, робити їх стійкими. Деякі види салмонелл (палички, що викликають кишкові захворювання у людини і тварин) стають рухливими – у них формуються джгутики, – якщо їх заразити особливими фагами. Цікаво, що, позбувшись від фага – провідника нових властивостей, – мікроби втрачають джгутики і знову стають нерухомими.

Важке інфекційне дитяче захворювання дифтерію викликають дифтерійні палички, що виділяють сильну отруту. Виявилося, що властивість виробляти отруту у дифтерійної бацили залежить від наявності в ній бактеріофага. Втративши його, вона стає нешкідливою. Пораючись в тілі бактерії, фаг викликає там синтез особливого, шкідливого для людини білка – токсину. Інакше кажучи, крихітний супутник мікроба змінює в його тілі напрямок білкового обміну речовин.

Описане явище направляє допитливу думку вчених по нових шляхах. Адже на мапі причин заразних хвороб людини ще зустрічаються білі плями. Так, до сих пір не ясна роль кроворозстроворюючого стрептокока у виникненні скарлатини. Серед цих схожих на мікроскопічні намиста кульок, що поселяються в зіві хворих дітей, зустрічають як шкідливих, так і нешкідливих представників. Може бути, хвороботворні ланцюжки стрептокока, подібно отруйним дифтерійним паличкам, заражені особливим бактеріофагом, що направляє їх діяльність на вироблення отруйної речовини, згубної для дітей?

Здатність невидимого попутника мікробів міняти обмін білків в клітині-хазяїні наштовхує на сміливі припущення. Адже фаг – вірус. Можливо, якістю перекручувати обмін речовин в ураженій клітині володіють і інші віруси, що нападають на людину, тварин і рослини? Поки це тільки гіпотеза. Але треба думати, експериментальна її перевірка допоможе відшукати ключі від деяких загадок порушення обміну речовин.

Автор: М. Д. Крилова.