Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

Многообразие вирусов

Вирус оспы

Для сравнения: клетка Escherichia coli

100 нм

Вирус табачной мозаики Каулимовирус

Основы микробиологии

186

Бактериофаги

ВВЕДЕНИЕ. Бактериофагами (фагами) называются вирусы, которые инфицируют бактерии. Устойчивость к фаговой инфекции – один из важных критериев при получении штаммов-суперпродуцентов. В генетической инженерии бактериофаги используются для получения векторов и промоторов для клонирования, для секвенирования и для создания геномных или белковых библиотек. Чаще всего в качестве клеток-хозяев для клонирования используют клетки E. coli, поэтому бактериофаги (фаги λ, М13, Qβ, Т-фаг), заражающие эти бактерии, вызывают наибольший интерес.

ФАГ λ инфицирует клетки E. coli. Как и другие представители умеренных фагов, после заражения фаг λ может развиваться по одному из двух путей: литическому или лизогенному. При литическом росте геном фага, который представлен линейной двунитевой ДНК размером 48,5 т.п.н., многократно реплицируется вне хромосомы хозяина, а затем фаговые частицы высвобождаются из клетки, лизируя ее. Если реализуется лизогенный путь развития фага, его ДНК (размером ~1% хромосомной ДНК E. coli) встраивается в геном хозяина и реплицируется вместе с ним. Бактерии, содержащие интегрированный геном фага (профага), называются лизогенными. Повышение температуры, УФ-облучение или другой стресс приводит к высвобождению профага из генома E. coli и лизису клетки. В ДНК фага λ имеются так называемые cos-сайты – одноцепочечные 5'-конце- вые участки длиной 12 нуклеотидов, способные к комплементарному взаимодействию. После проникновения фага в клетку cos-сайты замыкаются, и образуется кольцевая молекула ДНК, репликация которой происходит по принципу «катящегося кольца». При этом образуются конкатемеры – последовательно соединенные копии фагового генома. Эндонуклеаза А – продукт гена А – расщепляет такую длинную молекулу по cos-сайтам, а затем отдельные молекулы фаговой ДНК пакуются в капсиды. На основе фага λ сконструировано множество векторов: например, космиды, используемые при создании геномных библиотек, или семейство λ-векторов, в которое входит вектор λEMBL4, индукция генов которого происходит при повышении температуры.

ФАГ М13 также инфицирует клетки E. coli, однако по строению этот вирус значительно отличается от фага λ. Геном фага М13 представляет собой одну молекулу одноцепочечной ДНК размером 6,4 т.п.н. После проникновения ДНК фага в клетку E. coli происходит синтез комплементарной цепи ДНК, и образовавшаяся двухцепочечная фаговая ДНК не встраивается в геном хозяина, а реплицируется в цитоплазме. Затем зрелые одноцепочечные молекулы ДНК фага М13 выходят из клетки, покрываясь

капсидом (~1000 фаговых частиц на клетку). Инфицированные клетки при этом не погибают и при делении передают фаговую ДНК дочерним клеткам (~ 100 молекул на клетку). Особенности жизненного цикла бактериофага М13 используются при получении исследуемых генов в виде одноцепочечной ДНК, например для секвенирования ДНК, а также при сайтнаправленном мутагенезе с применением ПЦР.

Т-ФАГИ разделены на семь типов. В генетической инженерии широко используются два фермента, кодированные в геноме Т-фагов: ДНК-лигаза фага Т4 – фермент, соединяющий «липкие» и «тупые» концы двух фрагментов ДНК, и ДНК-полимераза фага Т7, применяющаяся для секвенирования ДНК по методу Сэнгера–Коулсона. Промотор РНК-полимера- зы фага Т7 часто встраивают в векторы для экспрессии белков в клетках E. coli.

ФАГИ ДРУГИХ БАКТЕРИЙ. Среди более чем тысячи охарактеризованных фагов более 300 инфицируют энтеробактерии, 230 заражают бактериококки, а 150 – актиномицеты и бациллы. Для представителей рода Pseudomonas описаны более 100, а для бактерий рода Lactobacillus – 40 фагов. По строению и физиологии эти вирусы отличаются от фагов, специфических для E. coli. При производстве молочных продуктов особенно важна защита от фагов, инфицирующих бактерии рода Lactobacillus, так как они могут присутствовать в стартовых культурах. Как правило, стартовые культуры представлены генетически модифицированными штаммами, устойчивыми к фаговой инфекции. Такая устойчивость обусловлена экспрессией белковых продуктов, кодированных в плазмиде. В результате действия этих белков могут нарушаться процессы внедрения вируса в клетку или его репликации. Среди пяти изученных групп вирусов бактерий рода Bacillus фаги 105 и SPO2 широко используется для трансформации, а фаг PBS1 – при построении карты генома Bacillus subtilis. Фаг М3112 часто служит для трансформации бактерий рода Pseudomonas, а фаги SV1 и C31 – для введения ДНК в клетки Streptomyces.

Основы микробиологии

188

Микроорганизмы

Микроорганизмы

Escherichia coli –

представитель прокариот

Saccharomyces cerevisiae – представитель эукариот