Взаємини між фагом і чутливої до нього кліткою дуже складні і не завжди завершуються лізисом клітини і розмноженням в ній фага. Ми розглянемо таку інфекцію клітини, яка закінчується загибеллю клітини і розмноженням в ній фага. Така інфекція називається продуктивною.
Найважливішою особливістю розмноження фага є те, що воно може відбуватися тільки в живих клітинах, що знаходяться в стадії росту. У мертвих клітинах, а також продуктах клітинного обміну розмноження фага не відбувається. Процес розмноження фага вельми складний і складається з наступних послідовно протікають етапів (рис. 212):
1) адсорбція фагової частки на поверхні мікробної клітини;
2) проникнення вмісту головки фагової частки (нуклеїнової кислоти) в мікробну клітину;
3) внутрішньоклітинне розвиток фага, що закінчується утворенням нових фагових частинок;
4) лізис клітини і вихід з неї нових фагів.
Час з моменту інфікування клітини фагом до лізису клітини називається латентним або прихованим періодом. Тривалість цього періоду різна для різних типів фага, залежить від навколишньої температури, складу середовища та інших факторів. Латентний період фагів, специфічних для одних бактерій, 15-40 хв, для інших - 5 год і більше. У фагів актиноміцетів латентний період може бути ще тривалішою. При низькій температурі латентний період значно збільшується.
З усіх етапів розмноження фага найбільш вивчений перший - адсорбція.
Адсорбція фага на клітці - реакція досить специфічна. У клітинній стінці бактерій є особливі структури (рецептори), до яких можуть прикріпитися фаги. Адсорбуються на рецепторах тільки ті фаги, до яких чутлива клітина.
Фаги, які мають відростки, прикріплюються до мікробної стінці вільним кінцем відростка. Ниткоподібні фаги, а також фаги, які не мають відростків, адсорбуються нема на мікробної стінці, а на ниткоподібних структурах, що оточують стінку, - фімбрій. Описано фаги, які прикріплюються відростком до бактеріальних жгутикам. У деяких фагів процес адсорбції може здійснюватися лише в тому випадку, коли в середовищі є певні речовини - кофактор: амінокислоти (триптофан, тирозин і ін.) Або солі (кальцієві, магнієві).
На кінці фагового відростка є особливий фермент типу лізоциму. Після адсорбції фага під впливом цього ферменту відбувається раст Ворен стінки мікробної клітини і вміст головки фага - нуклеїнова кислота - перекачується в мікробну клітину. Цим завершується другий етап процесу розмноження фага.
Решта структури фагової частки - оболонка головки, відросток і його субструктури - всередину інфікованої фагом клітини не потрапляють. Їх роль полягає в забезпеченні збереження фагової частки, що знаходиться поза клітини, і сприяння проникненню фагової нуклеїнової кислоти в клітину при інфекції.
У ниткоподібних фагів, на відміну від інших видів фагів, всередину клітини проникає весь білок або його частину. Після проникнення нуклеїнової кислоти фага в клітку починається складний процес внутрішньоклітинного розмноження фага. Під впливом нуклеїнової кислоти фага різко змінюється весь обмін мікробної клітини. Основні процеси, що протікають в інфікованій клітині, спрямовані на утворення нових фагових частинок. Спочатку формуються окремо головки і відростки, які потім об'єднуються в зрілі фагів частинки. До цього часу всередині клітини утворюється особливий літичний фермент, який викликає лізис клітини зсередини. Клітка розпадається, і нові зрілі частки фага виходять назовні.
Кількість нових фагових частинок, утворених однією клітиною при фагової інфекції, називають виходом фага або його врожайністю. Вихід фага залежить від властивостей даного фага і не залежить від клеткіхозяіна і її розмірів. Одні фаги відрізняються дуже низьким виходом (5-50 частинок на клітку), у інших вихід значно вище (від 1000 до 2500). Особливо високим виходом відрізняються дрібні РНК-ові фаги (понад 20 000 часток на клітину). Якщо велика кількість бактеріальних клітин змішати з невеликою кількістю фагових частинок, то процес розмноження фагів проходить кілька циклів. Спочатку інфікується частина клітин. Перше потомство фага інфікує залишилися клітини - відбувається другий цикл, за ним може слідувати третій і т. Д. Поки не будуть лизировать всі чутливі до даного фагу клітини. Серед фагів зустрічаються такі, розмноження яких можливе лише за наявності в середовищі певних кофакторів. Одні з цих речовин, як уже вказувалося, необхідні для адсорбції фага; інші - для внутрішньоклітинного розмноження фага.
Чи є процес розмноження фага завжди смертельним для інфікованої їм клітини? Безсумнівно, абсолютна більшість фагів викликають при розмноженні лізис клітини і її загибель. Лише останнім часом було встановлено, що при інфікуванні клітини ниткоподібними фагами можливі розмноження їх без загибелі клітини.
Якщо провести розсівання по поверхні агаризованому живильного середовища в чашках Петрі суміші фага і чутливих до нього мікробів і чашки витримати в термостаті, то відбувається лізис клітин в результаті розмноження фага. Якщо взяти велику кількість частинок фага, то лизируется велика частина або весь виріс газон культури. Якщо кількість фагових частинок таке, що вони розподіляються тільки на окремих ділянках газону, лізіруя в цих місцях культуру, то виникає колонія фага.
Ці колонії фага отримали назву бляшок, стерильних плям. Правильніше їх називати негативними колоніями. Кожна негативна колонія складається з десятків і сотень мільйонів фагових частинок. Розмір негативних колоній і їх форма залежать в першу чергу від властивостей фага, а також від складу середовища та культури мікробів. У одних фагів негативні колонії дуже дрібні і ледве видимі неозброєним оком, інші досягають 10 мм в діаметрі і більше. Колонії бувають світлі і чіткі, коли лизировать вся культура, або мутнуваті, коли лизировать не всі клітини. Навколо негативних колоній деяких фагів можуть виникнути різної форми і величини ореоли. На малюнках 213 217 показані негативні колонії різних фагів.
Морфологія негативних колоній служить одним з ознак, яким користуються при диференціації фагів.