Активность молочнокислой микрофлоры является одним из главных условий выработки сыра высокого качества как по органолептическим показателям, так и по показателям безопасности. Чаще всего причиной снижения активности микрофлоры заквасок является действие бактерио­фагов. На международном симпозиуме «Фаги в промышленной микро­биологии» (Лейпциг, 1984) констатировано, что снижение активности молочнокислого брожения из-за действия бактериофагов наблюдается при выработке 5-15% ферментированных молочных продуктов. С увеличением степени концентрации производства повышается опасность снижения активности заквасок и возрастают потери из-за действия фага.

Бактериофаги - это вирусы, поражающие бактерии. Вирусами (от лат. «virus» - яд) вначале называли различные, малоизученные болезне­творные агенты. После открытия в 1892 г. Ивановским болезнетворных агентов, способных проходить через бактериальные фильтры, их стали называть «фильтрующимися вирусами», затем - просто вирусами. В со­временном значении вирусы — это бесклеточные образования, содержа­щие одну ДНК или РНК, неспособные к самостоятельному размножению, репликация которых происходит в животных, растительных или бакте­риальных клетках, специфичных для каждого вируса хозяев. Бактериофаги - вирусы, репродуцирующиеся в клетках бактерий. Репликация бактериофа­га ведет к гибели клетки-хозяина. Отдельные частицы вирусов, способные проникать в клетку-хозяина и использовать аппарат клетки для собствен­ной репликации, называют вирионами. Бактериофаги часто называют про­сто фагами. В световой микроскоп вирусы не видно.

Бактериофаги состоят из головки, представляющей собой нуклеино­вую кислоту, окруженную белковой оболочкой (капсидом) и отростка (хвоста). Отросток некоторых фагов имеет сложное строение: например, у фага Т2 кишечной палочки он состоит из полого стержня и окружаю­щего его чехла, а у некоторых фагов - также из базальной пластинки с шипами и нитями. Чехол бывает сократимым и несократимым.

Базальная пластинка с шипами и нитями находится на конце отро­стка. У некоторых фагов в месте соединения отростка с головкой имеют­ся выросты, называемые воротничком. Размеры и форма головки и от­ростка у различных фагов неодинаковы, что служит основанием для их разделения на группы.

Репликация бактериофагов в клетке хозяина - процесс сложный, но достаточно хорошо изученный. Бактериофаги, как и все вирусы, непод­вижны и находятся в жидкой среде во взвешенном состоянии. Для раз­множения им нужно адсорбироваться на бактериальной клетке, в кото­рой может происходить их репликация, т. е. на клетке-хозяине. Адсорб­ция осуществляется отростком фага или с помощью шипов и нитей ба­зальной пластинки. Адсорбция на клетке-хозяине - первый этап репро­дукции бактериофагов. Адсорбция может произойти только при нали­чии на поверхности бактериальной клетки так называемых рецепторов. Рецепторы чаще располагаются в отдельных точках поверхности клет­ки, иногда равномерно по всей поверхности. Для каждого фага нужны специфические рецепторы, которые могут быть, а могут и не быть на поверхности клеток того или иного вида и штамма бактерий, что является одной из причин специфичности фага, характеризуемой литическим спектром, под которым подразумевается перечень видов и штаммов бактерий, в которых данный фаг может размножаться. Как правило, фаг обладает способностью адсорбироваться на тех штаммах, в которых может происходить его репликация, но иногда он адсорбирует­ся на клетках неродственных хозяину микроорганизмов без последую­щей репликации. Бактериофаги обычно (но не всегда) специфичны к виду, однако способны лизировать несколько штаммов вида своего бак­териального хозяина.

Адсорбировавшиеся на поверхности бактериальных клеток-хозяев фаги при помощи своих энзимов проделывают в клеточной стенке от­верстие, в которое входит полый стержень, через него впрыскивается внутрь клетки-хозяина нуклеиновая кислота фага, хранившаяся в его головке. Инъекция генома фага в клетку-хозяина - второй этап лити­ческого цикла фагов. В клетку-хозяина вводится только геном фага, ба­зальная пластинка остается на поверхности клетки. У фага до инъекции генетического материала в клетку-хозяина головка очень резко выделяет­ся на электронно-плотном слое и чехол отростка вытянут, после инъек­ции головка мало отличается от фона по плотности и чехол находится в сжатом виде. Большинство бактериофагов молочнокислых лактококков могут внедрить свой геном в клетки хозяев только при наличии в среде Са²⁺. После инъекции нуклеиновой кислоты фаг как организован­ная морфологическая единица перестает существовать.

После инъекции нуклеиновой кислоты в клетке-хозяине синтез бактериальных белков и нуклеиновых кислот прекращается, и биосин­тетический аппарат клетки начинает синтезировать компоненты фага: сначала нуклеиновую кислоту, позднее - белки оболочки и лизоцимы или эндолизины. Видимых изменений в кислотообразующей активности клеток молочнокислых бактерий, пораженных бактериофагом, в этот период нет, или она несколько повышается. Этот период называется латентным (скрытым).

Следующий этап заключается в формировании (сборке) внутри клетки новых частиц фага. После того как частицы фага сформированы, наступает заключительный этап: стенки клетки-хозяина лизируются, фаговые частицы выходят наружу, а клетка погибает. 

Описанный цикл репродукции фага называют литическим (или продуктивным) циклом. Он характеризуется скоростью адсорбции, про­должительностью латентного периода и урожаем (выходом) фаговых частиц. Бактериофаги, лизирующие зараженные ими клетки, называют вирулентными.

У бактериальных клеток имеется три внутриклеточных механизма защиты от фага:

• система рестрикции/модификации;
• предотвращение адсорбции;
• ингибирование репликации фага.

Рестрикция (ограничение репродукции фага) заключается в расщеп­лении фаговой ДНК специфичными энзимами - рестрикционными эндо­нуклеазами, образуемыми клетками штамма-хозяина. Для того чтобы эн­донуклеазы не смогли атаковать ДНК хозяина, последняя модифицирует­ся. Модификация заключается в метилировании или глюкозилировании определенных оснований ДНК. К сожалению, модифицироваться, а следо­вательно, становиться недоступной для рестриктаз, может и ДНК фага.

Синтез рестриктаз и специфических рецепторов может кодиро­ваться не только геномом бактерии, но и плазмидами, которые могут сравнительно легко теряться и приобретаться клетками, что ведет к из­менению чувствительности штаммов к бактериофагам.

Потеря клеткой способности синтезировать те или иные рецепторы делает ее устойчивой к соответствующему бактериофагу (фагам). У не­которых систем фаг-хозяин репликация фагов прекращается при темпе­ратурах, ниже максимальных для размножения хозяина, в частности для лактококков при 38-40° С и даже при 36-38° С.

Иногда проникновение генома фага в клетку не сопровождается образованием внутри нее вирионов, клетка лизируется без выделения в среду новых частиц фага. Это явление получило название абортивной инфекции. Абортивную инфекцию рассматривают как одну из защит­ных систем штамма.

Некоторые фаги заражают клетки хозяина, но не размножаются в них и не вызывают лизиса клеток. Такие фаги называют умеренными, клетки, несущие умеренные фаги, называют лизогенными, а само явле­ние называют лизогенией. Умеренные фаги в лизогенной клетке нахо­дятся в состоянии профага носителя генетической информации, необ­ходимой для их синтеза, локализуемой в бактериальной хромосоме и передающейся дочерним клеткам. Профаги размножаются синхронно с культурой, но иногда равновесие между профагом и бактериальной клеткой нарушается, фаговая хромосома вступает в обычный литиче­ский цикл, начинается репродукция фага, в конце которой клетка лизи­руется и умеренный фаг выходит наружу. Обычно это бывает после того, как лизогенная культура подверглась какому-либо стрессу. При этом другие клетки остаются резистентными к этому фагу, т. е. ли­зогенное состояние культуры в целом сохраняется. Вследствие этого в лизогенной культуре всегда имеются свободные, умеренные для нее фаги. Если в популяции кроме лизогенной находятся другие культуры, чувствительные к находящемуся в ней умеренному фагу, то они будут им лизироваться. Для этих культур умеренный фаг является вирулент­ным. Такие культуры называют индикаторными. С их помощью опре­деляют лизогенность культур.

Существует множественная лизогения, когда в клетке имеются профаги нескольких умеренных фагов. Так, штамм молочного лакто­кокка ML₈ является лизогенным для трех морфологически различных фагов. Такие культуры особенно опасны для производства.

Многие авторы считают, что большинство культур являются лизо­генными, но это далеко не всегда удается выявить, так как для выявле­ния лизогенности нужны каждый раз соответствующие индикаторные штаммы, которые встречаются довольно редко.

Спонтанно лизогенные культуры лизируются присутствующими в них умеренными фагами редко: обычно один раз на 10⁷ делений. Однако целый ряд факторов (УФ облучение, митомицин С, ионизи­рующее излучение, алкилирующие агенты) может индуцировать пре­вращение профага в лизогенной клетке в умеренный фаг и высвобожде­ние последнего в среду.

Спонтанная частота потери лизогенной клеткой профага («исцеле­ния») составляет около 10^-6. Ее можно увеличить УФ облучением.