Bakteriofagi: što je to, funkcija i klinički značaj

Što su bakteriofagi?

Bakteriofagitakođer poznat kao fagesu virusi koji se inficiraju i razmnožavaju samo u bakterijskim stanicama. Oni su sveprisutni u okolišu i priznati su kao najzastupljeniji biološki agens na Zemlji. Izuzetno su raznolike po veličini, morfologiji i genomskoj organizaciji. Međutim, svi se oni sastoje od genoma nukleinske kiseline inkapsulirane u kodirano fagom kapsidni proteini koji štite genetski materijal i posreduju u njegovoj isporuci stanica domaćin. Elektronska mikroskopija omogućila je detaljno vizualiziranje stotina tipova faga, od kojih neki imaju glave, noge i repove. Unatoč tome, bakteriofagi su nepokretni i ovise o Brownovom kretanju za postizanje svojih ciljeva.

Kao i svi virusi, bakteriofagi su vrlo specifični za vrste u odnosu na svoje domaćine i obično inficiraju samo jednu vrstu bakterija ili čak određene sojeve unutar vrste. Nakon što se bakteriofag veže za osjetljivog domaćina, on provodi jednu od dvije strategije replikacije: litičku ili lizogenu.

Tijekom ciklusa litička replikacija Fag se veže za osjetljivu bakteriju domaćina, ubacuje svoj genom u citoplazmu stanice domaćina i koristi ribosome domaćina za proizvodnju svojih proteina. Resursi stanica domaćina brzo se pretvaraju u virusne genome i kapsidne proteine, koji su sastavljeni u više kopija izvornog faga. Kad stanica domaćin umre, ona se aktivno ili pasivno lizira, oslobađajući novi bakteriofag da inficira drugu stanicu domaćina.

U petlji lizogena replikacija fag se također veže za osjetljivu bakteriju domaćina i uvodi svoj genom u citoplazmu stanice domaćina. Međutim, genom faga je umjesto toga integriran u kromosom bakterijske stanice ili se održava kao episomalni element, gdje se u oba slučaja replicira i prenosi u kćeri bakterijske stanice, nije ubijajući ih. Integrirani genomi faga nazivaju se profagi, a bakterije koje ih sadrže nazivaju se lizogeni. Profagi se mogu vratiti u ciklus litičke replikacije i ubiti svog domaćina, najčešće kao odgovor na promjenu uvjeta okoliša.

Funkcija bakteriofaga

Iako se bakteriofagi ne mogu zaraziti i umnožiti u ljudskim stanicama, oni su važan dio ljudski mikrobiom i najvažniji posrednik genetske razmjene između patogenog i nepatogenog bakterija. Prijenos gena iz jednog bakterijskog soja u drugi bakteriofagom naziva se transdukcija i može se dogoditi na generaliziran ili specifičan način.

• Kod "generalizirane" transdukcije, nasumični fragmenti bakterijske genomske DNA upakirani su unutra fagnih kapsida umjesto fazne genomske DNA, jer stanica domaćin propada iz litičke replikacija. Ako ga fag koji nosi ovu bakterijsku DNA uvede u zdravu stanicu domaćina, može se integrirati u kromosom ove bakterije, mijenjajući njezin genom i genom stanica kćeri.
• Vjeruje se da su tijekom "specijalizirane" transdukcije, lizogeni fagi pojačani u bakterijskoj populaciji svojim genomom izrezali dio bakterijske DNA, započinjući ciklus litičke replikacije. Budući da lizogeni imaju isto mjesto integracije, svi potomci fagi transduciraju isti bakterijski gen u svoje nove domaćine.

Osim genetske razmjene, bakteriofagi mogu promijeniti mikrobne populacije jer love određene vrste bakterija, a da pritom ne naškode drugima. Više od 100 godina istraživači su pokušavali koristiti ovo svojstvo za liječenje patogenih bakterijskih infekcija kod ljudi i životinja. Iako će divlji fagi vjerojatno imati privremeni učinak na populacije divljih bakterija, postoji mnogo prepreke za kliničku uporabu litičkih bakteriofaga kao antimikrobne terapije (terapija fazima) u od ljudi.

Prvo, divlji sojevi bakterija vrlo su raznoliki, a mnogi od njih otporni su na jedan ili više faga. Poznati su mnogi mehanizmi otpora, na primjer, jedan poznati primjer je sustav CRISPR-Cas9, koji je trenutno stvoren kao alat za genetsku manipulaciju u laboratoriju, nastao kao obrambeni mehanizam bakterija protiv bakteriofaga infekcije. Osim toga, fagi su mnogo imunogeniji od antimikrobnih lijekova i retikularnim endotelnim sustavom brzo se uklanjaju iz krvi. Njihova velika veličina u usporedbi s antimikrobnim lijekovima vjerojatno će ograničiti njihovu lokalnu uporabu ako se pronađu učinkoviti kokteli od faga. Neki su istraživači sugerirali da bi upotreba fagnih enzima koji mogu prodrijeti u stanične stijenke bakterija mogla biti lakša strategija. Do danas nije bilo randomiziranih, dvostruko slijepih kontroliranih ispitivanja koja bi pokazala učinkovitost obje strategije na ljudima.

Klinički značaj

Fagi su klinički važni iz nekoliko razloga. Prvo, mnogi visoko patogeni bakterijski toksini kodirani su genomima bakteriofaga, pa je bakterija domaćin patogena samo ako se lizogenizira pomoću faga koji kodira toksin. Primjeri su toksin kolere u Vibrio kolera, toksin difterije u Corynebacterium diphtheriae, botulinum neurotoksin u Clostridium botulinum, binarni toksin u Clostridium difficile, i shiga toksin vrste Shigella. Bez faga kodiranih toksina, ove vrste bakterija su ili mnogo manje patogene ili uopće nisu patogene. Zašto fagi kodiraju te otrove nije poznato. Dok toksin kolere vjerojatno pomaže i fagu i domaćinu da induciraju svoj sljedeći plijen obilni, vodenasti proljev i paraliza uzrokovana botulinum toksinom izgleda da su obrnuti učinak.

Drugo, bakteriofagi su vektori za horizontalni prijenos gena, uključujući gene za antimikrobnu rezistenciju. Također su osmišljeni za uvođenje gena u određene sojeve radi kliničke koristi, iako je njihova upotreba trenutno u fazi ispitivanja.

Treći klinički značajan aspekt bakteriofaga je da se njihovo otkrivanje može koristiti kao biomarker za prisutnost njihovog domaćina u složenom uzorku okoliša. Najčešće se koriste kao surogat za fekalnu kontaminaciju izvora vode. Ako je prisutan fag, najvjerojatnije je prisutan i domaćin. S druge strane, fagi su projektirani za proizvodnju molekula koje se mogu detektirati, npr luciferaze kada zaraze svog domaćina, kao sredstvo za otkrivanje bakterija u miješanom uzorku okoliš.

Iako su bakteriofagi u velikoj mjeri zamijenjeni novim tehnologijama, oni također imaju klinički značaj zbog svoje sposobnosti razlikovanja sojeva iste vrste bakterija. Većina proučavanih bakterijskih vrsta ima nekoliko patogenih bakteriofaga, baš kao što su ljudi kao vrsta osjetljivi na nekoliko virusa. Različiti sojevi unutar vrste otporni su na neke fage, ali ne i na druge. Sustavnim zaražavanjem svakog soja standardnom pločom faga za tu vrstu, svaki se soj može identificirati prema vrsti osjetljivosti i rezistencije na svaku vrstu faga. Za tipkanje faga Staphylococcus aureus, na primjer, za razlikovanje sojeva koristio je standardizirani panel bakteriofaga, široko rasprostranjen u međunarodnim okvirima S. aureus. Prije razvoja molekularnih tehnika u tu svrhu, poput tipkanja višelokusnih sekvenci i pulsna elektroforeza u gelu, tipizacija faga bila je standardni kriterij za praćenje sojeva u epidemiološke svrhe.

Konačno, bakteriofagi su bili prva otkrivena vrsta virusa i postali su dio mnogih temeljnih otkrića molekularne biologije. Na primjer, dokazi da je DNA bila molekula koja prenosi genetske informacije, glavni Mehanizmi regulacije gena i genetski kod, da navedemo samo neke od njih, otkriveni su pomoću bakteriofagi.