Бактериофаги в микробиологической промышленности
Микробиологическое производство, использующее бактерии-продуценты, может в определенных условиях оказаться зависимым от бактериофагов. Лизис бактерий в промышленных аппаратах – ферментерах, вызванный бактериофагами («фаголизис»), уменьшает выход конечного продукта или ухудшает его качество и тем самым приносит экономический ущерб.
Фаголизис может стать и причиной особого, генетического, загрязнения внешней среды. В производстве обычно используются бактериальные культуры ограниченного числа видов. В случае их массового лизиса и попадания определенных фагов во внешнюю среду может наблюдаться не только качественное изменение состава микроорганизмов, но и взаимодействие «производственных» и «природных» фагов. Это может привести к появлению в природных условиях генетически новых вариантов фагов, еще более активно лизирующих данный продуцент или способных визировать близкородственные виды бактерий. Следовательно, нарушаются сложившиеся биоценотические отношения.
Многообразие и общие свойства бактериофагов
Бактериофаги (или фаги) – разнообразно устроенные вирусы – внутриклеточные паразиты прокариот.
Структура частиц – вирионов – разных бактериофагов paзлична. В отличие от вирусов эукариотов бактериофаги часто обладают специализированным органом прикрепления к поверхности бактериальной клетки, или хвостовым отростком, устроенным с разной степенью сложности, но некоторые фаги не имеют хвостового отростка. Капсид содержит генетический материал фага, его геном. Генетический материал разных фагов может быть представлен разными нуклеиновыми кислотами. Некоторые фаги содержат ДНК в качестве генетического материала, другие – РНК. Геном у большинства фагов – двунитевые ДНК, а геном некоторых относительно редких фагов – однонитевые ДНК. На концах молекул ДНК некоторых фагов присутствуют «липкие участки» (однонитевые комплементарные последовательности нуклеотидов), у других фагов липкие участки отсутствуют. У некоторых фагов последовательности генов в молекулах ДНК уникальны, тогда как у других фагов выявлены пермутации генов. У одних фагов ДНК линейная, у других – замкнутая в кольцо. У некоторых фагов на концах молекулы ДНК имеются концевые повторы нескольких генов, у других фагов такая концевая избыточность обеспечивается присутствием относительно коротких повторов. Наконец, у некоторых фагов геном представлен набором из нескольких фрагментов нуклеиновой кислоты.
С эволюционной точки зрения бактериофаги, использующие столь разные типы генетического материала, различаются между собой в существенно большей степени, чем любые другие представители эукариотических организмов. Вместе с тем, Несмотря на такие принципиальные отличия в структуре и свойствах носителей генетической информации – нуклеиновых кислотах, разные бактериофаги проявляют общность во многих отношениях, прежде всего по характеру вмешательства в клеточный метаболизм после заражения чувствительных бактерий.
Бактериофаги, способные вызвать продуктивную инфекцию клеток, т.е. инфекцию, завершающуюся образованием жизнеспособного потомства, определяют как недефектные. Для всех недефектных фагов свойственно два состояния: состояние внеклеточного, или свободного, фага (иногда его называют также зрелым фагом) и состояние вегетативного фага. Для некоторых так называемых умеренных фагов возможно еще и состояние профага.
Внеклеточный фаг – это частицы, обладающие структурой, свойственной фагу данного типа, обеспечивающей сохранение генома фага в период между инфекциями и введение его в очередную чувствительную клетку. Внеклеточный фаг биохимически инертен, а вегетативный фаг – активное («живое») состояние фага, возникает после инфекции чувствительных бактерий или после индукции профага.
Иногда инфекция чувствительных клеток недефектным фагом не завершается образованием жизнеспособного потомства. Это может быть в двух случаях: при абортивной инфекции или вследствие лизогенного состояния клетки при инфекции умеренным фагом.
Причиной абортивного характера инфекции может быть активное вмешательство тех или иных систем клетки в ход инфекции, например разрушение введенного в бактерию генома фага, или отсутствие в клетке какого-то продукта, необходимого для развития фага, и т.д.
Общий признак всех бактериофагов – внутриклеточный паразитизм – определяется зависимостью фагов от аппаратов транскрипции и трансляции генетического материала, от систем репликации бактерии, от наличия особых бактериальных структур, необходимых для сборки зрелых частиц фага. В то же время следует отметить, что уровень такой зависимости для разных бактериофагов разный. Некоторые из них (например, Т-четные фаги Escherichia coli) несут в своем геноме многие гены, функционально сходные с определенными бактериальными генами; такие фаги более автономны, поскольку способны развиваться в клетках бактерий, не обладающих функциями соответствующих генов.
Фаги принято относить к трем типам. Тип определяется характером влияния продуктивной инфекции фага на судьбу инфицированной клетки.
Первый тип – истинно вирулентные фаги. Инфекция клетки вирулентным фагом неизбежно ведет к гибели инфицированной клетки, ее разрушению и освобождению фага-потомства (исключая случаи абортивной инфекции). Такие фаги называют истинно вирулентными, для отличия их от вирулентных мутантов умеренных фагов.
Второй тип – умеренные фаги. В ходе продуктивной инфекции клетки умеренным фагом возможны два принципиально разных пути его развития: литический, в общем (по своему исходу) подобный литическому циклу вирулентных фагов, и лизогенный, когда геном умеренного фага переходит в особое состояние – профаг. Клетка, несущая профаг, называется лизогенной или просто лизогеном (поскольку в определенных условиях она может претерпеть литическое развитие фага). Умеренные фаги, отвечающие в состоянии профага на применение индуцирующего фактора началом литического развития, называют индуцибельными, а фаги, не реагирующим таким образом, – неиндуцибельными. У умеренных фагов могут возникать вирулентные мутанты. Мутации вирулентности ведут к такому изменению последовательности нуклеотидов в оператор ных участках, которое сказывается в утрате сродства к репрессору.
Третий тип фагов – это фаги, продуктивная инфекция которыми не ведет к гибели бактерий. Эти фаги способны покидать инфицированную бактерию, не вызывая ее физического разрушения. Клетка, инфицированная таким фагом, находится в состоянии постоянной (перманентной) продуктивной инфекции. Развитие фага сказывается в некотором замедлении скорости делений бактерий.
Попадание фагов на производство
То, как именно фаг попадает на производство, в существенной степени определяется характером самого производства. Так, например, в отраслях промышленности, где производство ведется в открытых емкостях, фаг может попадать в них из воздуха, с добавками и т.д. В случае таких производств (сыроделие, виноделие) фаголизисы вызываются в основном фагами, попавшими из внешней среды (экзогенные фаги). В этом случае единственной гарантией безлизисного производства может быть использование комплекса специально разработанных мер. Изредка, при использовании лизогенных продуцентов, причиной лизиса может стать возникновение вирулентных мутантов (эндогенные фаги) В случае использования в производстве только одного штамма бактерий аппаратурное оформление производства позволяй вести его в микробиологически стерильных условиях, основным источником фаголизиса должны быть фаги, имеющие эндогенное происхождение (вирулентные мутанты профагов лизогенных продуцентов), и лишь при нарушении определенных технологических условий (некачественная стерилизация среды, воздуха и т.п.) лизис может быть вызван экзогенными фагами. Экзогенные фаги, вообще говоря, могут быть не только вирулентными, но и умеренными, если, например, в ферментеры попадают вместе с нестерильными компонентами лизогенные бактерии вида, родственного продуценту и выделяющие фаг, активный им клетках продуцента.
Таким образом, основной задачей после выявления на производстве случая, подозрительного на фаголизис, является доказательство возможной роли фага как причины неудавшейся операции, в том числе выявление самого фага и его характеристики позволяет установить способ попадания фага на производство (эндо- или экзогенный), а также определить, является ли обнаруженный фаг вариантом (мутантом) какого-либо ранее известного фага или встречается впервые.
Основные стадии развития и простейшие методы исследования бактериофагов
Несмотря на чрезвычайное разнообразие бактериофагов, процедуры их исследования, за редким исключением, применимы к большинству фагов. В заводской лаборатории можно провести предварительное изучение фага с применением относительно простых методов, а затем в хорошо оснащенной специализированной лаборатории подобрать оптимальные условия для размножения фага и подвергнуть фаг подробному изучению (электронная микроскопия, анализы нуклеиновой кислоты, белков каптида и др.). Так осуществляется классификация фага и делается окончательный вывод о пути его попадания на производство. Следует предостеречь от проведения длительных работ по исследованию бактериофагов в заводских лабораториях, территориально связанных с производством. Требующиеся обычно для проведения исследований препараты фагов в высоких титрах могут стать источником новых загрязнений производства, в том числе и мутантами с расширенными спектрами литической активности.
Все основные группы микроорганизмов могут быть загрязнителями биопроизводств – бактерии, грибы, фаги. Оптимальная температура для их развития находится в пределах 24–30°, т.е. это мезофильные организмы. Споры бактерий и конидий грибов могут выносить температуру 100° С, мицелиальные грибы оказываются доминирующими среди микроорганизмов при повышенной влажности.
В производстве антибиотиков, некоторых плазмозаменителей крови (декстран), отдельных витаминов существенна роль споровых бактерий типа Вас. brevis, Вас. subtilis, попадающих в ферментеры с загрязненным воздухом. Как правило, в этих случаях имеет место негерметичность аппаратуры или попадание в ферментеры нестерильного наружного воздуха из-за его плохой очистки. С неочищенным воздухом в ферментеры могут попасть и фаги, приводящие к лизису чувствительные культуры. При этом не исключаются случаи активации профагов в лизогенных культурах с последующей гибелью продуцента от вегетирующего фага. Применительно к процессам ферментации вероятность проскока таких микроорганизмов в ферментеры находится в пределах 1:1000–1:100 000.
Грамотрицательные бактерии из группы Escherichia coli и Pseudomonas sp. могут попасть в ферментеры с нестерильной водой. В этой связи необходимо следить за тем, чтобы сварные швы в трубопроводах и аппаратах не давали течи; чтобы гладкие поверхности фланцевых соединений оставались неповрежденными и имели резиновые прокладки. Ферментационные аппараты должны всегда иметь избыточное давление в процессе эксплуатации. В противном случае возможны подсосы нестерильного воздуха через сальники вентилей и валов мешалок. Необходимо тщательно следить за выхлопными линиями ферментеров, через которые может проникать в них грамотрицательная подвижная флора.
Дрожжевые организмы могут быть в культуральной жидкости вследствие недостаточной стерилизации питательной среды, содержащей, например, кукурузный экстракт, весьма благоприятный для развития названных организмов.
Железобактерии Gallionella ferruginea оказываются причиной коррозии, например, канализационных систем. Коррозия сооружений из железистых металлов, меди, свинца, цинка происходит более интенсивно в плохо аэрируемых почвах с большим содержанием растворимых солей и выраженной кислотностью. Анаэробные почвы оказываются подходящими для роста сульфатредуцирующих бактерий, и они, как правило, имеют низкий окислительно-восстановительный потенциал.
В любых видах микробиологической порчи материалов или объектов важнейшим фактором является влажность, вне которой не происходит развития микробов. Поддержание относительной влажности на уровне 50–70% предотвращает развитие микрофлоры на различных материалах и объектах.
Следует помнить, что микробной порче могут подвергаться самые различные объекты, ферментационные среды, готовые продукты медицинского, пищевого и другого назначения, деревянные и металлические сооружения и изделия, пластические массы, резина, лакокрасочные материалы, оптические приборы и т.д. Следовательно, во всех отраслях народного хозяйства прямо или косвенно мы имеем дело с микробами-вредителями. В основе их вредной деятельности лежит большая или меньшая метаболическая активность, когда продукты обмена веществ проявляют ту или иную агрессивность в отношении соответствующего субстрата. В биопроизводствах часто имеют дело с биомассой таких микробов, выступающих загрязнителями сред или готовых продуктов. Нередко продукты их жизнедеятельности могут явиться причиной пирогенности препаратов.
К числу пирогенно действующих веществ относятся комплексно связанные белки, жиры и углеводы (полноценные антигены), тейхоевые кислоты, фосфорилированные липополисахариды. Пирогены проходят через бактериальные фильтры, устойчивы к нагреванию и многим другим факторам внешней среды. Пути действия пирогенов (в том числе бактериальных) в макроорганизме на теплорегулирующие центры многоканальны:
Комплекс изменений, наблюдаемых после введения пирогенов в макроорганизм, характеризуется повышением температуры, вазомоторными расстройствами, нарушением обмена веществ. Хотя, например, повышение температуры тела может происходить за счет увеличения доли нефосфорилирующего окисления углеводов вследствие образования некоторыми микробами веществ-разобщителей, способных, подобно динитрофенолу, разобщать биологическое окисление и фосфорилирование (токсины стафилококков). Но это особый случай. Вот почему стерильный продукт должен быть свободным от пирогенных веществ.
Все сапрофитные формы микробов-вредителей попадают в сферу технологического процесса из природных субстратов (почва, вода, воздух). Если же речь идет о каких-либо патогенных микробах, то в этом случае источником их выступают больные люди или бактерионосители, которые незамедлительно должны быть отстранены от работы. В других случаях существенно важной является оценка пылевого источника загрязнения. Для этого необходимо учитывать возможности запыленности воздуха рабочих помещений, коридоров, транспортных средств (например, лифтов), а также запыленность стен, выступов, трубопроводов, вентиляционных труб, вспомогательных и упаковочных материалов и т.д.
Спорообразующие бактерии в загрязненном воздухе чаще относятся к группам Вас. subtilis, Вас. cereus, Вас. mesentericus, Вас. megaterium. Многие из них образуют активную пенициллиназу и прочие гидролитические ферменты. Грамотрицательные бактерии родов Escherichia, Pseudomonas, Proteus и другие (преимущественно водные обитатели) также обладают активными гидролазами, катализирующими реакции гидролиза, например, отдельных антибиотиков. Дрожжевые организмы рода Candida растут и развиваются в присутствии высоких концентраций противобактериальных антибиотиков. Из числа последних пенициллин может стимулировать их рост.
Бактериальная, дрожжевая (Bacterium, Chromobacterium, Pseudomonas, Pseudobacterium, Lactobacterium, Bacillus, Micrococcus, Streptococcus, Sarcina, Mycobacterium, Torulopsis, Pichia и др.) и плесневая микрофлора более или менее постоянно сопутствуют кормовым дрожжам при их выращивании в производственных условиях. При этом снижение выхода целевого продукта может достигать 70–80%. Организмы родов Pseudomonas, Escherichia, Bacillus полностью ингибируют продукцию токсинов анаэробными клостридиями.
Выброс во внешнюю среду воздуха и других составных частей материальных потоков, загрязненных грибами и бактериями – продуцентами антибиотиков, витаминов, белка, аминокислот или других биологически активных веществ, может привести к поражению культурных растений, пушных зверей и птицы, грибковым заболеваниям среди людей, а также болезням рыб, пчел и других насекомых. Нитчатые грибы и дрожжи как продуценты определенных веществ могут выступать причиной развития аллергии.
Для борьбы с микробами-вредителями биопроизводств используют различные мероприятия, среди которых известны:
1. Общие: а) контроль за герметичностью технологического оборудования и систем, связанных, например, с подачей стерильного воздуха, пеногасителей и т.д.;
б) личная гигиена людей, занятых в производстве;
в) соблюдение правил санитарии и гигиены на всех участках технологического процесса;
г) квалифицированное обслуживание работающих приборов и аппаратов в целях соблюдения регламентированных процессов.
2, Специальные: а) контроль за качеством используемой воды;
б) систематический медицинский осмотр людей, занятых в производстве;
в) санитарно-бактериологический контроль воздуха рабочих вспомогательных и других помещений, а также контроль влажности и температуры воздуха;
г) физические и химические методы борьбы с микробами-вредителями биопроизводств.
Гигиенический и санитарно-бактериологический контроль за воздухом ведут по методам, изложенным в практических курсах гигиены. Применительно к микробному обсеменению воздуха учитывают качество и количество микробов, а затем делают вывод о чистоте или загрязненности воздуха и степени его опасности для технологического процесса, а также и для работающих.
Среди физических и химических методов борьбы с микробами-вредителями биопроизводств известны многочисленные приемы и вещества, обеспечивающие определенную надежность уничтожения нежелательной микрофлоры.
Из физических методов укажем на фильтрацию (воздуха, питательных сред, культуральных жидкостей), тепловую стерилизацию (питательных сред, некоторых готовых средств), создание избыточного давления стерильного воздуха в соответствующих помещениях (например, в фасовочных отделениях медицинских препаратов для инъекций); использование стерильных халатов и масок людьми, занятыми в производстве; лиофилиза-ция готового продукта перед хранением; использование ультрафиолетового и гамма-облучения для стерилизации соответственно помещений и флаконов.
Применительно к антимикробным агентам и их использованию существуют следующие определения:
1) статическое действие вещества, т.е. когда агент задерживает размножение клеток. Удаление его из среды сопровождается возобновлением размножения тест-объекта. В зависимости от тест-организмов говорят о бактериостати-ческом и фунгистатическом действиях антимикробных веществ;
2) цидное действие вещества, т.е. когда агент убивает чувствительный организм, который не оживает после удаления из среды этого вещества. Эффект последнего может проявиться в растворении (лизисе) клеток или, напротив, клетки остаются неповрежденными и даже продолжают оставаться «метаболически» относительно активными; цидное действие может быть как бактерицидное, так и фунгицидное.
3. Стерильность – освобождение от любых живых клеток. Стерилизация может быть достигнута химическими веществами (а также фильтрацией и облучением). Стерильный материал может содержать интактные «метаболизирующие» клетки.
4. Дезинфектант – вещество, убивающее патогенные микроорганизмы.
5. Асептичность, характеризующаяся отсутствием микробов.