Bakteriofágy: jaké jsou, funkce a klinický význam

Co jsou bakteriofágy?

Bakteriofágytaké známý jako fágyjsou viry, které infikují a množí se pouze v bakteriálních buňkách. Jsou všudypřítomné v životním prostředí a jsou uznávány jako nejhojnější biologické činidlo na Zemi. Jsou extrémně rozmanité co do velikosti, morfologie a genomové organizace. Všechny však sestávají z genomu nukleové kyseliny zapouzdřeného ve fágem kódovaném kapsidové proteiny, které chrání genetický materiál a zprostředkovávají jeho dodání dalšímu hostitelská buňka. Elektronová mikroskopie umožnila detailně zobrazit stovky typů fágů, z nichž některé mají „hlavy“, „nohy“ a „ocasy“. Navzdory tomu jsou bakteriofágy nehybné a k dosažení svých cílů závisí na Brownově pohybu.

Jako všechny viry jsou bakteriofágy ve vztahu ke svým hostitelům velmi druhově specifické a obvykle infikují pouze jeden druh bakterií nebo dokonce určité kmeny v rámci druhu. Jakmile se bakteriofág naváže na vnímavého hostitele, implementuje jednu ze dvou replikačních strategií: lytickou nebo lysogenní.

Během cyklu lytická replikace Fág se naváže na vnímavou hostitelskou bakterii, vloží svůj genom do cytoplazmy hostitelské buňky a k produkci svých proteinů použije ribozomy hostitele. Prostředky hostitelské buňky se rychle přeměňují na virové genomy a kapsidové proteiny, které jsou sestaveny do více kopií původního fága. Když hostitelská buňka zemře, je aktivně nebo pasivně lyžována a uvolní nový bakteriofág, aby infikoval další hostitelskou buňku.

Ve smyčce lysogenní replikace fág se také váže na vnímavou hostitelskou bakterii a zavádí svůj genom do cytoplazmy hostitelské buňky. Fágový genom je však místo toho integrován do chromozomu bakteriální buňky nebo udržován jako epizomální prvek, kde je v obou případech replikován a přenesen do dceřiných bakteriálních buněk, není zabíjet je. Integrované fágové genomy se nazývají profágy a bakterie, které je obsahují, se nazývají lysogeny. Proroci se mohou vrátit do cyklu lytické replikace a zabít svého hostitele, nejčastěji v reakci na měnící se podmínky prostředí.

Funkce bakteriofága

Přestože bakteriofágy nemohou infikovat a množit se v lidských buňkách, jsou jejich důležitou součástí lidský mikrobiom a nejdůležitější mediátor genetické výměny mezi patogenními a nepatogenními bakterie. Přenos genů z jednoho bakteriálního kmene do druhého bakteriofágem se nazývá transdukce a může k němu dojít generalizovaným nebo specifickým způsobem.

• Při „generalizované“ transdukci jsou uvnitř zabaleny náhodné fragmenty bakteriální genomové DNA fágové kapsidy místo fágové genomové DNA, jak se hostitelská buňka rozpadá z lytika replikace. Pokud fág nesoucí tuto bakteriální DNA zavede do zdravé hostitelské buňky, může se integrovat do chromozomu této bakterie, čímž se změní její genom a genom dceřiných buněk.
• Předpokládá se, že během „specializované“ transdukce lysogenní fágy amplifikované v bakteriální populaci vyřízly svým genomem část bakteriální DNA, čímž byl zahájen cyklus lytické replikace. Protože lysogeny mají stejné integrační místo, všechny potomkové fágy transdukují stejný bakteriální gen na své nové hostitele.

Kromě genetické výměny mohou bakteriofágy měnit mikrobiální populace, protože se živí určitými druhy bakterií, aniž by poškodily ostatní. Vědci se již více než 100 let pokoušejí využít tuto vlastnost jako léčbu patogenních bakteriálních infekcí u lidí a zvířat. Zatímco divoké fágy pravděpodobně budou mít dočasný účinek na populace divokých bakterií, existuje mnoho překážky klinického využití lytických bakteriofágů jako antimikrobiální terapie (fágová terapie) v lidí.

Za prvé, divoké bakteriální kmeny jsou velmi rozmanité a mnoho z nich je odolných vůči jednomu nebo více fágům. Je známo mnoho mechanismů odporu, například jedním známým příkladem je systém CRISPR-Cas9, v současné době vytvořený jako nástroj pro genetickou manipulaci v laboratoři, objevující se jako mechanismus bakteriální obrany proti bakteriofágu infekce. Kromě toho jsou fágy mnohem více imunogenní než antimikrobiální léčiva a jsou rychle odstraněny z krve retikulárním endotelovým systémem. Jejich velká velikost ve srovnání s antimikrobiálními látkami pravděpodobně omezí jejich topické použití, pokud budou nalezeny účinné fágové koktejly. Někteří vědci navrhli, že použití fágových enzymů, které mohou proniknout do stěn bakteriálních buněk, může být jednodušší strategie. K dnešnímu dni nebyly provedeny žádné randomizované, dvojitě zaslepené kontrolované studie prokazující účinnost obou strategií u lidí.

Klinický význam

Fágy mají klinický význam z několika důvodů. Za prvé, mnoho vysoce patogenních bakteriálních toxinů je kódováno genomy bakteriofága, takže hostitelská bakterie je patogenní pouze tehdy, když je lysogenizována fágem kódujícím toxin. Příkladem je cholera toxin Vibrio cholerae, toxin záškrtu v Corynebacterium diphtheriae, botulotoxin v Clostridium botulinum, binární toxin v Clostridium difficilea shiga toxin tohoto druhu Shigella. Bez toxinů kódovaných fágem jsou tyto typy bakterií buď mnohem méně patogenní, nebo vůbec nejsou patogenní. Proč fágy tyto toxiny kódují, není známo. Zatímco toxin cholery pravděpodobně pomáhá fágovi i hostiteli dosáhnout jejich další kořisti indukcí silný, vodnatý průjem, paralýza způsobená botulotoxinem se zdá být zvrácena efekt.

Za druhé, bakteriofágy jsou vektory pro horizontální přenos genů, včetně genů pro antimikrobiální rezistenci. Byly také navrženy tak, aby zavedly geny do určitých kmenů pro klinický přínos, ačkoli jejich použití je v současné době ve fázi testování.

Třetím klinicky významným aspektem bakteriofágů je, že jejich detekci lze použít jako biomarker pro přítomnost jejich hostitele ve složitém vzorku prostředí. Nejčastěji se používají jako náhrada za fekální kontaminaci vodních zdrojů. Pokud je přítomen fág, pak je s největší pravděpodobností také hostitel. Na druhé straně byly fágy zkonstruovány tak, aby produkovaly detekovatelnou molekulu, jako je např luciferázy, když infikují svého hostitele, jako prostředek k detekci bakterií ve smíšeném vzorku životní prostředí.

Přestože bakteriofágy byly z velké části nahrazeny novými technologiemi, mají také klinický význam díky své schopnosti rozlišovat mezi kmeny stejného bakteriálního druhu. Většina studovaných bakteriálních druhů má několik patogenních bakteriofágů, stejně jako lidé jako druh jsou náchylní k několika virům. Různé kmeny v rámci druhu jsou vůči některým fágům rezistentní, proti jiným nikoli. Systematickým nakažením každého kmene standardním panelem fágů pro tento druh lze každý kmen identifikovat podle typu citlivosti a odolnosti vůči každému typu fága. Pro psaní fágů Staphylococcus aureusnapříklad použil k diferenciaci kmenů standardizovaný panel bakteriofágů, široce distribuovaný v mezinárodním měřítku S. aureus. Před vývojem molekulárních technik pro tento účel, jako je typizace multilokusových sekvencí a pulzní pole gelová elektroforéza, fágová typizace byla standardním kritériem pro sledování kmenů v epidemiologické účely.

Nakonec byly bakteriofágy prvním typem viru, který byl objeven, a staly se součástí mnoha zásadních objevů molekulární biologie. Například důkaz, že DNA byla molekula, která přenáší genetickou informaci, hlavní mechanismy regulace genů a genetický kód, abychom jmenovali jen některé z nich, byly objeveny pomocí bakteriofágy.