Bacteriofagen: wat ze zijn, functie en klinische betekenis

Wat zijn bacteriofagen?

Bacteriofagenook gekend als fagenzijn virussen die alleen in bacteriële cellen infecteren en zich vermenigvuldigen. Ze zijn alomtegenwoordig in het milieu en worden erkend als de meest voorkomende biologische agent op aarde. Ze zijn zeer divers in grootte, morfologie en genomische organisatie. Ze bestaan ​​echter allemaal uit een nucleïnezuurgenoom ingekapseld in door fagen gecodeerde capside-eiwitten die genetisch materiaal beschermen en de afgifte ervan aan de volgende bemiddelen gast cel. Elektronenmicroscopie heeft het mogelijk gemaakt om honderden soorten fagen in detail te visualiseren, waarvan sommige "koppen", "poten" en "staarten" hebben. Desondanks zijn bacteriofagen onbeweeglijk en afhankelijk van Brownse beweging om hun doelen te bereiken.

Zoals alle virussen zijn bacteriofagen zeer soortspecifiek in relatie tot hun gastheren en infecteren ze meestal slechts één soort bacterie of zelfs bepaalde stammen binnen een soort. Zodra een bacteriofaag zich hecht aan een vatbare gastheer, implementeert het een van de twee replicatiestrategieën: lytisch of lysogeen.

Tijdens de cyclus lytische replicatie De faag hecht zich aan een gevoelige gastheerbacterie, steekt zijn genoom in het cytoplasma van de gastheercel en gebruikt de ribosomen van de gastheer om zijn eiwitten te produceren. Gastheercelbronnen worden snel omgezet in virale genomen en capside-eiwitten, die worden geassembleerd tot meerdere kopieën van de oorspronkelijke faag. Wanneer een gastheercel sterft, wordt deze actief of passief gelyseerd, waardoor een nieuwe bacteriofaag vrijkomt om een ​​andere gastheercel te infecteren.

In een lus lysogene replicatie de faag hecht zich ook aan een gevoelige gastheerbacterie en introduceert zijn genoom in het cytoplasma van de gastheercel. Het faaggenoom is echter in plaats daarvan geïntegreerd in het chromosoom van de bacteriecel of wordt gehandhaafd als een episomaal element, waarbij het in beide gevallen wordt gerepliceerd en overgebracht naar dochterbacteriële cellen, is dat niet hen doden. Geïntegreerde faaggenomen worden profagen genoemd en bacteriën die ze bevatten, worden lysogenen genoemd. Profagen kunnen terugkeren naar de lytische replicatiecyclus en hun gastheer doden, meestal als reactie op veranderende omgevingsomstandigheden.

Bacteriofaag functie

Hoewel bacteriofagen niet in menselijke cellen kunnen infecteren en zich niet kunnen vermenigvuldigen, vormen ze een belangrijk onderdeel van het menselijke microbioom en de belangrijkste bemiddelaar van genetische uitwisseling tussen pathogeen en niet-pathogeen bacteriën. De overdracht van genen van de ene bacteriestam naar de andere door een bacteriofaag wordt transductie genoemd en kan op een gegeneraliseerde of specifieke manier plaatsvinden.

• Bij "gegeneraliseerde" transductie worden willekeurige fragmenten van bacterieel genomisch DNA erin verpakt faagcapsiden in plaats van faaggenomisch DNA, aangezien de gastheercel vervalt van de lytische replicatie. Als een faag die dit bacteriële DNA draagt, het in een gezonde gastheercel introduceert, kan het integreren in het chromosoom van deze bacterie, waardoor het genoom en het genoom van dochtercellen verandert.
• Er wordt aangenomen dat tijdens "gespecialiseerde" transductie lysogene fagen geamplificeerd in een bacteriële populatie een deel van het bacteriële DNA met hun genoom uitsnijden, waardoor een cyclus van lytische replicatie wordt geïnitieerd. Omdat lysogenen dezelfde integratieplaats hebben, transduceren alle afstammelingen hetzelfde bacteriële gen naar hun nieuwe gastheren.

Naast genetische uitwisseling kunnen bacteriofagen microbiële populaties veranderen omdat ze op bepaalde soorten bacteriën jagen zonder anderen te schaden. Al meer dan 100 jaar proberen onderzoekers deze eigenschap te gebruiken als een behandeling voor pathogene bacteriële infecties bij mens en dier. Hoewel wilde fagen waarschijnlijk een tijdelijk effect hebben op populaties wilde bacteriën, zijn er veel belemmeringen voor het klinische gebruik van lytische bacteriofagen als antimicrobiële therapie (faagtherapie) bij van mensen.

Ten eerste zijn wilde bacteriestammen zeer divers en veel daarvan zijn resistent tegen een of meer fagen. Er zijn veel weerstandsmechanismen bekend, een bekend voorbeeld is bijvoorbeeld het CRISPR-Cas9-systeem, dat momenteel wordt gecreëerd als een hulpmiddel voor genetische manipulatie in het laboratorium, dat naar voren komt als een bacterieel afweermechanisme tegen bacteriofaag infecties. Bovendien zijn fagen veel meer immunogeen dan antimicrobiële geneesmiddelen en worden ze snel uit het bloed geklaard door het reticulaire endotheelsysteem. Hun grote omvang in vergelijking met antimicrobiële middelen zal waarschijnlijk hun plaatselijke gebruik beperken als effectieve faagcocktails worden gevonden. Sommige onderzoekers hebben gesuggereerd dat het gebruik van faag-enzymen die bacteriële celwanden kunnen binnendringen, een eenvoudigere strategie kan zijn. Tot op heden zijn er geen gerandomiseerde, dubbelblinde gecontroleerde onderzoeken geweest die de effectiviteit van beide strategieën bij mensen aantonen.

Klinische betekenis

Fagen zijn om verschillende redenen van klinisch belang. Ten eerste worden veel zeer pathogene bacteriële toxines gecodeerd door bacteriofaaggenomen, dus de gastheerbacterie is alleen pathogeen wanneer ze wordt gelysogeniseerd door de voor toxine coderende faag. Voorbeelden zijn choleratoxine in Vibrio cholerae, difterietoxine in Corynebacterium diphtheriae, botulinum neurotoxine in Clostridium botulinum, binair toxine in Clostridium difficile, en shiga-toxine van de soort Shigella. Zonder faag-gecodeerde toxines zijn deze soorten bacteriën ofwel veel minder pathogeen of helemaal niet pathogeen. Waarom fagen coderen voor deze toxines is onbekend. Terwijl het choleratoxine waarschijnlijk zowel de faag als de gastheer helpt om hun volgende prooi te bereiken door overvloedige, waterige diarree, verlamming als gevolg van botulinumtoxine lijkt te zijn omgekeerd het effect.

Ten tweede zijn bacteriofagen vectoren voor horizontale genoverdracht, inclusief genen voor antimicrobiële resistentie. Ze zijn ook ontworpen om genen in bepaalde stammen te introduceren voor klinisch voordeel, hoewel hun gebruik zich momenteel in de testfase bevindt.

Het derde klinisch significante aspect van bacteriofagen is dat hun detectie kan worden gebruikt als een biomarker voor de aanwezigheid van hun gastheer in een complex milieumonster. Meestal worden ze gebruikt als surrogaat voor fecale verontreiniging van waterbronnen. Als er een faag aanwezig is, dan is hoogstwaarschijnlijk ook een gastheer aanwezig. Aan de andere kant zijn fagen gemanipuleerd om een ​​detecteerbaar molecuul te produceren zoals luciferase wanneer ze hun gastheer infecteren, als middel om bacteriën in een gemengd monster te detecteren omgeving.

Hoewel bacteriofagen grotendeels zijn vervangen door nieuwe technologieën, hebben ze ook klinische betekenis vanwege hun vermogen om onderscheid te maken tussen stammen van dezelfde bacteriesoort. De meeste van de bestudeerde bacteriesoorten hebben meerdere pathogene bacteriofagen, net zoals de mens als soort vatbaar is voor meerdere virussen. Verschillende stammen binnen een soort zijn resistent tegen sommige fagen, maar niet tegen andere. Door elke stam systematisch te infecteren met een standaardpaneel van fagen voor die soort, kan elke stam worden geïdentificeerd door het type gevoeligheid en resistentie tegen elk type faag. Voor het typen van fagen Staphylococcus aureus, bijvoorbeeld een gestandaardiseerd panel van bacteriofagen gebruikt, dat internationaal wijdverspreid is, om stammen te differentiëren S. aureus. Voorafgaand aan de ontwikkeling van moleculaire technieken voor dit doel, zoals multilocus sequentietypering en gepulseerde veldgelelektroforese, faagtypering was het standaardcriterium voor het volgen van stammen in epidemiologische doeleinden.

Ten slotte waren bacteriofagen het eerste type virus dat werd ontdekt en werden ze onderdeel van veel van de fundamentele ontdekkingen van de moleculaire biologie. Bijvoorbeeld bewijs dat DNA een molecuul was dat genetische informatie doorgeeft, de belangrijkste mechanismen van regulatie van genen en de genetische code, om er maar een paar te noemen, zijn ontdekt met behulp van bacteriofagen.