Bakteriofāgi: kas tas ir, funkcija un klīniskā nozīme

Kas ir bakteriofāgi?

Bakteriofāgizināms arī kā fāgiir vīrusi, kas inficē un vairojas tikai baktēriju šūnās. Tie ir visuresoši vidē un atzīti par visizplatītāko bioloģisko aģentu uz Zemes. Tie ir ārkārtīgi dažādi pēc lieluma, morfoloģijas un genoma organizācijas. Tomēr tie visi sastāv no nukleīnskābju genoma, kas iekapsulēts fāgu kodētā veidā kapsīda proteīni, kas aizsargā ģenētisko materiālu un nodrošina tā piegādi nākamajam saimniekšūna. Elektronu mikroskopija ļāva detalizēti vizualizēt simtiem fāgu tipu, no kuriem dažiem ir galvas, kājas un astes. Neskatoties uz to, bakteriofāgi ir nekustīgi un savu mērķu sasniegšanai ir atkarīgi no Brauna kustības.

Tāpat kā visi vīrusi, arī bakteriofāgi ir ļoti sugai specifiski attiecībā uz saimniekiem un parasti inficē tikai viena veida baktērijas vai pat noteiktus sugas celmus. Kad bakteriofāgs ir pievienojies uzņēmīgam saimniekam, tas īsteno vienu no divām replikācijas stratēģijām: lītisku vai lizogēnu.

Cikla laikā litiskā replikācija Fāgs pievienojas uzņēmīgai saimniekorganisma baktērijai, ievieto tā genomu saimniekšūnas citoplazmā un izmanto saimnieka ribosomas, lai ražotu tās proteīnus. Saimnieku šūnu resursi tiek ātri pārvērsti vīrusu genomos un kapsīda proteīnos, kas tiek salikti vairākās sākotnējā fāga kopijās. Kad saimniekšūna nomirst, tā tiek aktīvi vai pasīvi lizēta, atbrīvojot jaunu bakteriofāgu, lai inficētu citu saimniekšūnu.

Cilpā lizogēna replikācija fāgs arī pievienojas uzņēmīgai saimniekbaktērijai un ievada tās genomu saimniekšūnas citoplazmā. Tomēr fāga genoms ir integrēts baktēriju šūnas hromosomā vai tiek uzturēts kā epizomāls elements, kur abos gadījumos tas tiek atkārtots un pārnests uz meitas baktēriju šūnām, nav nogalinot viņus. Integrētos fāgu genomus sauc par propāgiem, un tos saturošās baktērijas - par lizogēniem. Profagi var atgriezties lītiskās replikācijas ciklā un nogalināt saimnieku, visbiežāk reaģējot uz mainīgajiem vides apstākļiem.

Bakteriofāga funkcija

Lai gan bakteriofāgi nevar inficēties un vairoties cilvēka šūnās, tie ir svarīga sastāvdaļa cilvēka mikrobiomu un vissvarīgāko ģenētiskās apmaiņas starpnieku starp patogēnu un nepatogēnu baktērijas. Gēnu pārnešanu no viena baktēriju celma uz citu, izmantojot bakteriofāgu, sauc par transdukciju, un tā var notikt vispārinātā vai specifiskā veidā.

• "Ģeneralizētā" transdukcijā nejauši ievietoti baktēriju genoma DNS fragmenti fāga kapsīdi, nevis fāga genoma DNS, jo saimniekšūna sabrūk no lītiskās replikācija. Ja fāgs, kas nes šo baktēriju DNS, ievada to veselīgā saimniekšūnā, tas var integrēties šīs baktērijas hromosomā, mainot tā genomu un meitas šūnu genomu.
• Tiek uzskatīts, ka "specializētas" transdukcijas laikā baktēriju populācijā pastiprināti lizogēni fāgi ar savu genomu izgrieza daļu baktēriju DNS, uzsākot lītiskās replikācijas ciklu. Tā kā lizogēniem ir viena un tā pati integrācijas vieta, visi pēcteču fāgi saviem jaunajiem saimniekiem pārveido to pašu baktēriju gēnu.

Papildus ģenētiskajai apmaiņai bakteriofāgi var mainīt mikrobu populācijas, jo tie medī noteiktus baktēriju veidus, nekaitējot citiem. Vairāk nekā 100 gadus pētnieki ir mēģinājuši izmantot šo īpašību kā patogēnu baktēriju infekciju ārstēšanu cilvēkiem un dzīvniekiem. Lai gan savvaļas fāgi, iespējams, īslaicīgi ietekmēs savvaļas baktēriju populācijas, to ir daudz šķēršļi lītisko bakteriofāgu klīniskai izmantošanai kā pretmikrobu terapija (fāgu terapija) cilvēku.

Pirmkārt, savvaļas baktēriju celmi ir ļoti dažādi, un daudzi no tiem ir izturīgi pret vienu vai vairākiem fāgiem. Ir zināmi daudzi pretestības mehānismi, piemēram, viens labi zināms piemērs ir sistēma CRISPR-Cas9, kas pašlaik ir izveidota kā instruments ģenētiskai manipulācijai laboratorijā, kas parādās kā baktēriju aizsardzības mehānisms pret bakteriofāgu infekcijas. Turklāt fāgi ir daudz imunogēnāki nekā pretmikrobu līdzekļi, un retikulārā endotēlija sistēma tos ātri attīra no asinīm. To lielais izmērs, salīdzinot ar pretmikrobu līdzekļiem, visticamāk ierobežos to lokālu lietošanu, ja tiks atrasti efektīvi fāgu kokteiļi. Daži pētnieki ir ierosinājuši, ka vienkāršāka stratēģija var būt fāgu enzīmu izmantošana, kas var iekļūt baktēriju šūnu sienās. Līdz šim nav veikti randomizēti, dubultmaskēti kontrolēti pētījumi, kas parādītu abu stratēģiju efektivitāti cilvēkiem.

Klīniskā nozīme

Fāgiem ir klīniska nozīme vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, daudzus ļoti patogēnus baktēriju toksīnus kodē bakteriofāgu genomi, tāpēc saimniekbaktērija ir patogēna tikai tad, kad to lizogēno toksīnu kodējošais fāgs. Piemēri ir holēras toksīns Vibrio holēras, difterijas toksīns Corynebacterium diphtheriae, botulīna neirotoksīns Clostridium botulinum, binārais toksīns Clostridium difficile, un sugas toksīns Šigella. Bez fāgu kodētiem toksīniem šie baktēriju veidi ir daudz mazāk patogēni vai vispār nav patogēni. Kāpēc fāgi kodē šos toksīnus, nav zināms. Kaut arī holēras toksīns, visticamāk, palīdz gan fāgam, gan saimniekam sasniegt nākamo laupījumu, izraisot to bagātīga, ūdeņaina caureja, paralīze, ko izraisa botulīna toksīns, šķiet, ir mainījusies efekts.

Otrkārt, bakteriofāgi ir vektori horizontālai gēnu pārnešanai, ieskaitot gēnus pretmikrobu rezistencei. Tie ir arī izstrādāti, lai gēnus ievadītu noteiktos celmos, lai iegūtu klīnisku labumu, lai gan to izmantošana pašlaik ir testēšanas stadijā.

Trešais klīniski nozīmīgais bakteriofāgu aspekts ir tāds, ka to noteikšanu var izmantot kā biomarķieri saimnieka klātbūtnei sarežģītā vides paraugā. Visbiežāk tos izmanto kā aizstājēju ūdens avotu piesārņošanai ar fekālijām. Ja ir fāgs, tad, visticamāk, ir arī saimnieks. No otras puses, fāgi ir izstrādāti, lai iegūtu tādu nosakāmu molekulu kā luciferāzi, kad tie inficē savu saimnieku, kā līdzekli baktēriju noteikšanai jauktajā paraugā vide.

Lai gan bakteriofāgi lielā mērā ir aizstāti ar jaunām tehnoloģijām, tiem ir arī klīniska nozīme, jo tie spēj atšķirt vienas un tās pašas baktēriju sugas celmus. Lielākajai daļai pētīto baktēriju sugu ir vairāki patogēni bakteriofāgi, tāpat kā cilvēki kā suga ir uzņēmīgi pret vairākiem vīrusiem. Dažādi sugas celmi ir izturīgi pret dažiem fagiem, bet ne pret citiem. Sistemātiski inficējot katru celmu ar šīs sugas standarta fāgu paneli, katru celmu var identificēt pēc jutīguma un izturības veida pret katru fāga veidu. Fāgu rakstīšanai Staphylococcus aureuspiemēram, izmantoja standartizētu bakteriofāgu paneli, kas plaši izplatīts starptautiski, lai diferencētu celmus S. aureus. Pirms molekulāro metožu izstrādes šim nolūkam, piemēram, daudzfokusu secības ierakstīšanai un pulsa lauka gēla elektroforēze, fāgu ierakstīšana bija standarta kritērijs celmu izsekošanai epidemioloģiskiem mērķiem.

Visbeidzot, bakteriofāgi bija pirmais atklātais vīrusu veids un kļuva par daļu no daudziem molekulārās bioloģijas pamatatklājumiem. Piemēram, pierādījumi, ka DNS bija molekula, kas pārraida ģenētisko informāciju, galvenais gēnu un ģenētiskā koda regulēšanas mehānismi, nosaucot tikai dažus no tiem, ir atklāti, izmantojot bakteriofāgi.