XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Бактериофаг лямбда был открыт в 1951 году Эстером Ледебергом в Висконсинском университете, когда она случайно обнаружила, как бактериофаг выходит из EscherichiacoliK-12 после ультрафиолетового облучения [1]. Фаг лямбда паразитирует на e.coli, поэтому его другое биологическое название - вирус лямбда эшерихии. Фаг может действовать на клетки бактерий двояко. В пером случае, вирус попадает в бактерию быстро размножается и выходит наружу в виде частиц, разрушаю бактерию. Данный процесс действия фага на бактерию называют лизисом, а реакции проходящие в бактерии - литическими. Во втором случае наблюдается лизогения, механизм действия фага на вирус, при котором геном фага встраивается в геном бактерии и хранится в виде профага до благоприятного момента. Благодаря данному процессу удалось изучить важные механизмы генетической рекомбинации. Сам же геном бактериофага лямбда состоит всего из 50 тысяч нуклеотидных пар и является первым геномом, полную последовательность которого установил человек. Геном бактериофага не был секвенирован целенаправленно, был собран из большого количества работ по генетике фага.

Фаг лямбда - является одной из самых ранних модельных систем для изучения физической природы ДНК и генов, и значительное количество ранних исследований изучало гидродинамические свойства лямбда-хромосомы с целью, среди прочего, определения ее абсолютной молекулярной массы [2]. Лямбда является одним из первых биологических объектов, чья транскрипционная регуляция была детально изучена и понята. Было обнаружено, что на ранних стадиях, как и у других изучаемых в то время фагов, у них есть контролируемый во времени паттерн транскрипции и экспрессии генов, называемый в этом случае немедленной ранней, ранней (иногда называемой “задержанной ранней”) и поздней транскрипцией [3,4]. В 1969 году Джеффри Робертс использовал очищенную РНК-полимеразу для транскрибирования лямбда-ДНК in vitro, она инициировала синтез РНК на непосредственных ранних промоторах PL и PR, но полученные транскрипты были длиннее, чем те, которые наблюдались in vivo. Затем он использовал эту систему, чтобы обнаружить белок хозяина (который он назвал Rho), который вызывал более короткие транскрипты, которые были той же длины, что и наблюдаемые in vivo. Позже было показано, что Rho вызывает прекращение транскрипции в нормальных лямбда-сайтах in vivo и требуется для подмножества событий прекращения транскрипции в E. coli. Таким образом, лямбда была непосредственно ответственна за открытие этого первого транскрипционного контролирующего “фактора” (если считать σ-субъединицу частью основного фермента РНК-полимеразы) [5].

В начале 1970-х годов Коста Георгопулос, Дэвид Фридман и Нат Штернберг независимо друг от друга разработали методы выделения мутаций в кишечной палочки, которые позволяли адсорбировать лямбда-вирионы и вводить ДНК, но которые блокировали фаговую инфекцию на более поздней стадии. Эти мутации влияют на сборку головки лямбды, репликацию ДНК и раннюю транскрипцию. Они изменяют специфические белки хозяина, которые необходимы для успешной транскрипции и для правильной динамики сворачивания/разворачивания белка. Мутации хозяина, влияющие на сборку головы, идентифицировали шаперон фолдинга белка GroEL-GroES хозяина (также известный теперь как HSP60-HSP10) [6,7]. Ген groE был одним из первых бактериальных генов, которые были клонированы. Его клонирование опиралось на слияние микробной генетики в виде мутантов groE, выделенных Костой Георгопулосом, и одного из самых ранних методов рекомбинантной ДНК в виде ружейной (случайной) библиотеки фрагментов ДНК E. coli в фаговом лямбда-векторе [6].

В настоящее время интерес к этому модельному объекту заключается в использовании его во многих значимых общественных направлениях науки и техники. Так молекулярный каскад редактирования генома - CRISPR-Cas - возник в фаге в качестве системы адаптивного иммунитета, но теперь применяются для нужд генной инженерии. Также в последнее время фаг стали применять в исследованиях одной из главной проблемы современной медицины - устойчивость бактерий к антибиотикам. Лечение фагами, рассматривается как альтернатива химиотерапии устойчивых к антибиотикам бактериальных инфекций. В настоящее время наблюдается увеличение интереса к препаратам на основе фагов, которые проходят клинические испытания [8,9]. В одном из последних исследований удалось излечить подростка с муковисцидозом от тяжелой микобактериальной инфекции [10].

Во всем мире насчитывается огромное число фаговых частиц, которые предполагают под собой практически неограниченный запас пригодной для использования генетической информации, которая может быть использована в самых разных целях [11]. Применений бактериофага очень много и с каждым годом число сфер в которых используется фаг увеличивается, в настоящее время бактериофага применяется в таких сферах, как медицина, пищевая промышленность, биотехнологии, нанотехнологии и многих других.

Списоклитературы

1.Lederberg E. M. Lysogenicity in E-coli K-12 //Genetics. – 1951. – Т. 36. – №. 5. – С. 560-560.

2.Davidson N., Szybalski W. The bacteriophage lambda //New York: Cold Spring Harbor Laboratory. – 1971. – С. 45.

3.Hershey A. D. (ed.). The bacteriophage lambda. – Cold Spring Harbor Laboratory, 1971. – Т. 2.

4.Friedman D. I., Gottesman M. Lytic mode of lambda development,[w] Hendrix RW, Roberts JW, Stahl FW, Weisberg RA [red.] Lambda II. – 1983.

5.Roberts J. W. Termination factor for RNA synthesis //Nature. – 1969. – Т. 224. – №. 5225. – С. 1168-1174.

6.Georgopoulos C. P. et al. Host participation in bacteriophage lambda head assembly //Journal of molecular biology. – 1973. – Т. 76. – №. 1. – С. 45-60.

7.Sternberg N. Properties of a mutant of Escherichia coli defective in bacteriophage λ head formation (groE): II. The propagation of phage λ //Journal of molecular biology. – 1973. – Т. 76. – №. 1. – С. 25-44.

8.Smith D. (2018). Why bacteriophage therapy won't solve the problem of antibiotic resistance. Forbes;

9.Charles Schmidt. (2019). Phage therapy’s latest makeover. Nat Biotechnol. 37, 581-586;

10. Rebekah M. Dedrick, Carlos A. Guerrero-Bustamante, Rebecca A. Garlena, Daniel A. Russell, Katrina Ford, et. al.. (2019). Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nat Med. 25, 730-733.

11.Nicastro J., Sheldon K., Slavcev R. A. Bacteriophage lambda display systems: developments and applications //Applied microbiology and biotechnology. – 2014. – Т. 98. – №. 7. – С. 2853-2866.