Bakteriofágok: mi ez, funkciójuk és klinikai jelentőségük

Mik azok a bakteriofágok?

Bakteriofágokmás néven fágokolyan vírusok, amelyek csak baktériumsejtekben fertőznek és szaporodnak. A környezetben mindenütt jelen vannak, és a Föld legelterjedtebb biológiai ágenseként ismerik el őket. Rendkívül változatosak méretükben, morfológiájukban és genomi szervezetükben. Mindazonáltal ezek mind egy fág által kódolt nukleinsav-genomból állnak kapszidfehérjék, amelyek megvédik a genetikai anyagot és közvetítik annak szállítását a következőhöz gazdasejt. Az elektronmikroszkópia lehetővé tette több száz fágtípus részletes megjelenítését, amelyek közül néhánynak "feje", "lába" és "farka" van. Ennek ellenére a bakteriofágok mozdulatlanok, és céljaik eléréséhez a Brown mozgásától függenek.

Mint minden vírus, a bakteriofágok is nagyon fajspecifikusak a gazdáik tekintetében, és általában csak egyfajta baktériumot vagy akár bizonyos törzseket fertőznek meg egy fajon belül. Miután a bakteriofág egy fogékony gazdaszervezethez kapcsolódik, két replikációs stratégia egyikét hajtja végre: lítikus vagy lizogén.

A ciklus során lítikus replikáció A fág egy fogékony gazdabaktériumhoz kötődik, behelyezi a genomját a gazdasejt citoplazmájába, és a gazda riboszómáit használja fel fehérjék előállításához. A gazdasejt -erőforrások gyorsan vírusgenomokká és kapszidfehérjékké alakulnak át, amelyeket az eredeti fág több példányába állítanak össze. Amikor egy gazdasejt meghal, aktívan vagy passzívan lizálódik, új bakteriofág szabadul fel, amely megfertőz egy másik gazdasejtet.

Egy hurokban lizogén replikáció a fág egy fogékony gazdabaktériumhoz is kötődik, és bejuttatja annak genomját a gazdasejt citoplazmájába. A fág genomja azonban helyette a bakteriális sejt kromoszómájába van integrálva, vagy mint epizomális elem, ahol mindkét esetben megismétlődik és átkerül a leánybaktériumsejtekbe, nem megölve őket. Az integrált fággenomokat profágoknak, az azokat tartalmazó baktériumokat lizogéneknek nevezzük. A prófágák visszatérhetnek a lítikus replikációs ciklusba, és megölhetik gazdájukat, leggyakrabban válaszul a változó környezeti feltételekre.

Bakteriofág funkció

Bár a bakteriofágok nem képesek megfertőzni és szaporodni az emberi sejtekben, ezek fontos részét képezik az emberi mikrobiom és a patogén és nem patogén közötti genetikai csere legfontosabb közvetítője baktériumok. A gének egyik bakteriális törzsből a másikba történő átvitelét bakteriofággal transzdukciónak nevezik, és általános vagy specifikus módon történhet.

• Az "általánosított" transzdukció során a bakteriális genomiális DNS véletlenszerű töredékeit csomagolják be fágkapszidokat a fág genomiális DNS helyett, mivel a gazdasejt bomlik a lítikusból replikáció. Ha ezt a bakteriális DNS -t hordozó fág egészséges gazdasejtbe juttatja, akkor integrálódhat e baktérium kromoszómájába, megváltoztatva annak genomját és a leánysejtek genomját.
• Úgy gondolják, hogy a "speciális" transzdukció során a baktériumpopulációban amplifikált lizogén fágok kivágják a bakteriális DNS egy részét a genomjukkal, és elindítják a lítikus replikációs ciklust. Mivel a lizogének azonos integrációs hellyel rendelkeznek, minden leszármazott fág ugyanazt a bakteriális gént transzdukálja új gazdaszervezeteibe.

A genetikai csere mellett a bakteriofágok megváltoztathatják a mikrobiális populációkat, mert bizonyos típusú baktériumokat zsákmányolnak anélkül, hogy másokat károsítanának. A kutatók több mint 100 éve próbálják ezt a tulajdonságot emberek és állatok kórokozó bakteriális fertőzésének kezelésére használni. Míg a vad fágok valószínűleg ideiglenes hatást gyakorolnak a vadbaktériumok populációira, sokan vannak gátolja a lítikus bakteriofágok klinikai alkalmazását antimikrobiális terápiaként (fágterápia) emberek.

Először is, a vad baktériumtörzsek nagyon változatosak, és sokan közülük rezisztensek egy vagy több fággal szemben. Sok ellenállási mechanizmus ismert, például az egyik jól ismert példa a CRISPR-Cas9 rendszer, amelyet jelenleg úgy hoztak létre a genetikai manipuláció eszköze a laboratóriumban, amely bakteriofág elleni bakteriális védekező mechanizmusként jelenik meg fertőzések. Ezenkívül a fágok sokkal immunogénesebbek, mint az antimikrobiális gyógyszerek, és a retikuláris endothelrendszer gyorsan eltávolítja őket a vérből. Nagy méretük az antimikrobiális szerekhez képest valószínűleg korlátozza helyi felhasználásukat, ha hatékony fág koktélokat találnak. Néhány kutató azt javasolta, hogy a bakteriális sejtfalakba behatoló fág enzimek használata könnyebb stratégia lehet. A mai napig nem történt randomizált, kettős-vak, kontrollált vizsgálat, amely kimutatta volna mindkét stratégia hatékonyságát embereken.

Klinikai jelentőség

A fágok több okból is klinikai jelentőséggel bírnak. Először is, sok erősen patogén baktériumtoxint bakteriofág genomok kódolnak, így a gazdabaktérium csak akkor patogén, ha a toxint kódoló fág lizogenizálja. Ilyen például a kolera -toxin Vibrio cholerae, diftéria toxin Corynebacterium diphtheriae, botulinum neurotoxin in Clostridium botulinum, bináris toxin be Clostridium difficile, és a faj shiga toxinja Shigella. Fágok által kódolt toxinok nélkül az ilyen típusú baktériumok vagy sokkal kevésbé patogének, vagy egyáltalán nem kórokozók. Miért nem kódolják a fágok ezeket a toxinokat, nem ismert. Míg a kolera toxin valószínűleg segíti mind a fágot, mind a házigazdát, hogy indukálással elérje a következő áldozatát a bőséges, vizes hasmenés, a botulinum toxin okozta bénulás megfordulni látszik a hatás.

Másodszor, a bakteriofágok vektorok a vízszintes géntranszferhez, beleértve az antimikrobiális rezisztencia génjeit is. Azt is tervezték, hogy géneket vezessenek be bizonyos törzsekbe klinikai előnyök érdekében, bár használatuk jelenleg a tesztelési fázisban van.

A bakteriofágok klinikailag jelentős harmadik aspektusa, hogy kimutatásuk biomarkerként használható gazdaszervezetük jelenlétére egy komplex környezeti mintában. Leggyakrabban a vízforrások székletszennyezésének helyettesítőjeként használják őket. Ha fág van jelen, akkor valószínűleg egy gazda is jelen van. Másrészt a fágokat olyan kimutatható molekula előállítására tervezték, mint pl luciferáz, amikor megfertőzik a gazdájukat, a vegyes mintában lévő baktériumok kimutatásának eszközeként környezet.

Bár a bakteriofágokat nagyrészt új technológiák váltották fel, klinikai jelentőségük is van, mivel képesek megkülönböztetni ugyanazon baktériumfajok törzseit. A legtöbb vizsgált baktériumfaj több kórokozó bakteriofággal rendelkezik, mint az ember, mint faj több vírusra fogékony. A fajon belüli különböző törzsek ellenállnak egyes fágoknak, de másoknak nem. Ha szisztematikusan megfertőzi az egyes törzseket az adott fajhoz tartozó standard fágpanellel, minden törzs azonosítható az egyes fágtípusokkal szembeni érzékenység és rezisztencia típusa alapján. Fágok gépeléséhez Staphylococcus aureuspéldául szabványosított, nemzetközi szinten széles körben elterjedt bakteriofág panelt használt a törzsek megkülönböztetésére S. aureus. Az erre a célra kifejlesztett molekuláris technikák kifejlesztése előtt, mint például a többfókuszú szekvencia -tipizálás és impulzusmezős gélelektroforézissel, a fágok tipizálása volt a standard kritérium a törzsek követésére járványügyi célokra.

Végül a bakteriofágok voltak az első típusú vírusok, amelyeket felfedeztek, és a molekuláris biológia számos alapvető felfedezésének részévé váltak. Például a bizonyíték arra, hogy a DNS genetikai információt továbbító molekula volt A gének és a genetikai kód szabályozási mechanizmusait - hogy csak néhányat említsünk - felfedezték bakteriofágok.