Bakteriofágy: aké sú, funkcia a klinický význam

Čo sú bakteriofágy?

Bakteriofágytaktiež známy ako fágysú vírusy, ktoré infikujú a množia sa iba v bakteriálnych bunkách. Sú všadeprítomné v životnom prostredí a sú uznávané ako najrozšírenejšie biologické činidlo na Zemi. Majú veľmi rozdielnu veľkosť, morfológiu a genomickú organizáciu. Všetky však pozostávajú z genómu nukleovej kyseliny zapuzdreného do fágom kódovaného kapsidové proteíny, ktoré chránia genetický materiál a sprostredkujú jeho dodanie ďalšiemu hostiteľská bunka. Elektrónová mikroskopia umožnila detailne vizualizovať stovky typov fágov, z ktorých niektoré majú hlavy, nohy a chvosty. Napriek tomu sú bakteriofágy nehybné a na dosiahnutie svojich cieľov závisia od Brownovho pohybu.

Rovnako ako všetky vírusy, bakteriofágy sú vzhľadom na svojich hostiteľov veľmi druhovo špecifické a zvyčajne infikujú iba jeden druh baktérií alebo dokonca určité kmene v rámci druhu. Akonáhle sa bakteriofág naviaže na citlivého hostiteľa, implementuje jednu z dvoch replikačných stratégií: lytickú alebo lyzogénnu.

Počas cyklu lytická replikácia Fág sa prichytí k citlivej hostiteľskej baktérii, vloží svoj genóm do cytoplazmy hostiteľskej bunky a na výrobu svojich proteínov použije ribozómy hostiteľa. Prostriedky hostiteľskej bunky sa rýchlo premieňajú na vírusové genómy a kapsidové proteíny, ktoré sú zostavené do viacerých kópií pôvodného fága. Keď hostiteľská bunka zomrie, je aktívne alebo pasívne lyžovaná a uvoľní nový bakteriofág, aby infikoval inú hostiteľskú bunku.

V slučke lyzogénna replikácia fág sa tiež viaže na náchylnú hostiteľskú baktériu a zavádza svoj genóm do cytoplazmy hostiteľskej bunky. Fágový genóm je však namiesto toho integrovaný do chromozómu bakteriálnej bunky alebo udržiavaný ako epizomálny prvok, kde sa v oboch prípadoch replikuje a prenáša do dcérskych bakteriálnych buniek, nie je zabíjať ich. Integrované fágové genómy sa nazývajú profágy a baktérie, ktoré ich obsahujú, sa nazývajú lyzogény. Proroci sa môžu vrátiť do cyklu lytickej replikácie a zabiť svojho hostiteľa, najčastejšie v reakcii na meniace sa podmienky prostredia.

Bakteriofágová funkcia

Hoci bakteriofágy nedokážu infikovať a množiť sa v ľudských bunkách, sú ich dôležitou súčasťou ľudský mikrobióm a najdôležitejší mediátor genetickej výmeny medzi patogénnymi a nepatogénnymi baktérie. Prenos génov z jedného bakteriálneho kmeňa do druhého bakteriofágom sa nazýva transdukcia a môže nastať zovšeobecneným alebo špecifickým spôsobom.

• Pri „generalizovanej“ transdukcii sú do vnútra zabalené náhodné fragmenty bakteriálnej genómovej DNA fágové kapsidy namiesto fágovej genómovej DNA, pretože hostiteľská bunka sa rozkladá z lytika replikácia. Ak ho fág nesúci túto bakteriálnu DNA zavedie do zdravej hostiteľskej bunky, môže sa integrovať do chromozómu tejto baktérie, pričom zmení jej genóm a genóm dcérskych buniek.
• Verí sa, že počas „špecializovanej“ transdukcie lysogénne fágy amplifikované v bakteriálnej populácii vyrezali svojim genómom časť bakteriálnej DNA, čím sa zahájil cyklus lytickej replikácie. Pretože lyzogény majú rovnaké integračné miesto, všetky potomkové fágy transponujú rovnaký bakteriálny gén svojim novým hostiteľom.

Okrem genetickej výmeny môžu bakteriofágy meniť mikrobiálne populácie, pretože sa živia určitými druhmi baktérií bez poškodenia ostatných. Vedci sa viac ako 100 rokov pokúšajú využiť túto vlastnosť na liečbu patogénnych bakteriálnych infekcií u ľudí a zvierat. Aj keď divoké fágy majú pravdepodobne dočasný účinok na populácie divokých baktérií, existuje ich veľa prekážky klinického používania lytických bakteriofágov ako antimikrobiálnej terapie (fágová terapia) v z ľudí.

Po prvé, divoké bakteriálne kmene sú veľmi rozmanité a mnohé z nich sú odolné voči jednému alebo viacerým fágom. Je známych mnoho mechanizmov rezistencie, napríklad jedným známym príkladom je systém CRISPR-Cas9, v súčasnosti vytvorený ako nástroj na genetickú manipuláciu v laboratóriu, ktorý vzniká ako mechanizmus obrany baktérií pred bakteriofágom infekcie. Okrem toho sú fágy oveľa viac imunogénne ako antimikrobiálne lieky a sú rýchlo odstraňované z krvi retikulárnym endotelovým systémom. Ich veľká veľkosť v porovnaní s antimikrobiálnymi látkami pravdepodobne obmedzí ich topické použitie, ak sa nájdu účinné fágové koktaily. Niektorí vedci navrhli, že používanie fágových enzýmov, ktoré môžu preniknúť cez steny bakteriálnych buniek, môže byť jednoduchšia stratégia. Doteraz neexistovali žiadne randomizované, dvojito zaslepené, kontrolované štúdie, ktoré by ukazovali účinnosť oboch stratégií u ľudí.

Klinický význam

Fágy majú klinický význam z niekoľkých dôvodov. Po prvé, mnoho vysoko patogénnych bakteriálnych toxínov je kódovaných genómami bakteriofága, takže hostiteľská baktéria je patogénna iba vtedy, ak je lysogenizovaná fágom kódujúcim toxín. Príkladmi sú toxín cholery v Vibrio cholerae, toxín záškrtu v Corynebacterium diphtheriae, botulotoxín v Clostridium botulinum, binárny toxín v Clostridium difficilea shiga toxín tohto druhu Shigella. Bez toxínov kódovaných fágmi sú tieto typy baktérií buď oveľa menej patogénne, alebo vôbec nie sú patogénne. Prečo fágy kódujú tieto toxíny, nie je známe. Aj keď toxín cholery pravdepodobne pomáha fágovi aj hostiteľovi dosiahnuť ďalšiu korisť indukciou silná, vodnatá hnačka, paralýza spôsobená botulotoxínom sa zdá byť obrátená efekt.

Za druhé, bakteriofágy sú vektory na horizontálny prenos génov vrátane génov na antimikrobiálnu rezistenciu. Tiež boli navrhnuté tak, aby zaviedli gény do určitých kmeňov z klinického hľadiska, aj keď ich použitie je v súčasnej dobe vo fáze testovania.

Tretím klinicky významným aspektom bakteriofágov je, že ich detekciu je možné použiť ako biomarker na prítomnosť ich hostiteľa v komplexnej environmentálnej vzorke. Najčastejšie sa používajú ako náhrada za fekálne znečistenie vodných zdrojov. Ak je prítomný fág, je pravdepodobne prítomný aj hostiteľ. Na druhej strane boli fágy navrhnuté tak, aby produkovali detegovateľnú molekulu, ako napr luciferázu, keď infikujú svojho hostiteľa, ako prostriedok na detekciu baktérií v zmiešanej vzorke životné prostredie.

Napriek tomu, že bakteriofágy boli do značnej miery nahradené novými technológiami, majú tiež klinický význam kvôli svojej schopnosti rozlišovať medzi kmeňmi rovnakého druhu baktérií. Väčšina študovaných bakteriálnych druhov má niekoľko patogénnych bakteriofágov, rovnako ako ľudia ako druhy sú citliví na niekoľko vírusov. Rôzne kmene v rámci druhu sú odolné voči niektorým fágom, ale voči iným nie. Systematickou infekciou každého kmeňa štandardným panelom fágov pre tento druh možno každý kmeň identifikovať podľa typu citlivosti a odolnosti voči každému typu fága. Na písanie fágov Staphylococcus aureusnapríklad použil na diferenciáciu kmeňov štandardizovaný panel bakteriofágov, široko distribuovaný v medzinárodnom meradle S. aureus. Pred vývojom molekulárnych techník na tento účel, ako je typizácia viacsmerných sekvencií a gélová elektroforéza v pulznom poli, typizácia fágov bola štandardným kritériom na sledovanie kmeňov v epidemiologické účely.

Nakoniec boli bakteriofágy prvým typom vírusu, ktorý bol objavený, a stali sa súčasťou mnohých základných objavov molekulárnej biológie. Napríklad dôkaz, že DNA bola molekula, ktorá prenáša genetické informácie, hlavná mechanizmy génovej regulácie a genetického kódu, aby sme vymenovali len niektoré z nich, boli objavené pomocou bakteriofágy.