Bakteriofagi: kaj so, funkcija in klinični pomen

Kaj so bakteriofagi?

Bakteriofagipoznan tudi kot fagiso virusi, ki se okužijo in razmnožujejo le v bakterijskih celicah. V okolju so vseprisotni in priznani kot najbolj bogato biološko sredstvo na Zemlji. So zelo raznoliki po velikosti, morfologiji in genomski organizaciji. Vse pa sestavljajo genom nukleinske kisline, inkapsuliran v kodiran s fagi kapsidne beljakovine, ki ščitijo genski material in posredujejo njegovo dostavo do naslednjega gostiteljska celica. Elektronska mikroskopija je omogočila podrobno vizualizacijo več sto vrst fagov, od katerih imajo nekateri "glave", "noge" in "repe". Kljub temu so bakteriofagi nepremični in so pri doseganju svojih ciljev odvisni od Brownovega gibanja.

Tako kot vsi virusi so tudi bakteriofagi glede na svoje gostitelje zelo specifični za vrsto in običajno okužijo le eno vrsto bakterij ali celo nekatere seve znotraj vrste. Ko se bakteriofag veže na dovzetnega gostitelja, izvede eno od dveh strategij razmnoževanja: litično ali lizogeno.

Med ciklom litična replikacija Fag se veže na občutljivo gostiteljsko bakterijo, vstavi svoj genom v citoplazmo gostiteljske celice in uporablja ribosome gostitelja za proizvodnjo svojih beljakovin. Viri gostiteljskih celic se hitro pretvorijo v virusne genome in kapsidne beljakovine, ki so sestavljeni v več kopij prvotnega faga. Ko gostiteljska celica odmre, se aktivno ali pasivno lizira in sprosti nov bakteriofag, da okuži drugo celico gostitelja.

V zanki lizogena replikacija fag se pritrdi tudi na občutljivo gostiteljsko bakterijo in vnese svoj genom v citoplazmo gostiteljske celice. Genom faga je namesto tega integriran v kromosom bakterijske celice ali vzdrževan kot episomalni element, kjer se v obeh primerih replicira in prenese v hčerinske bakterijske celice, ni jih ubil. Integrirani fazni genomi se imenujejo profagi, bakterije, ki jih vsebujejo, pa lizogeni. Profagi se lahko vrnejo v cikel litične replikacije in ubijejo svojega gostitelja, najpogosteje kot odgovor na spreminjajoče se okoljske razmere.

Funkcija bakteriofaga

Čeprav se bakteriofagi ne morejo okužiti in razmnoževati v človeških celicah, so pomemben del človeški mikrobiom in najpomembnejši posrednik genetske izmenjave med patogenim in nepatogenim bakterije. Prenos genov iz enega bakterijskega seva v drugega z bakteriofagom se imenuje transdukcija in se lahko pojavi na posplošen ali specifičen način.

• Pri "posplošeni" transdukciji so naključni fragmenti bakterijske genomske DNA zapakirani v notranjost fagnih kapsidov namesto fazne genomske DNA, saj gostiteljska celica razpade iz litične podvajanje. Če ga fag, ki nosi to bakterijsko DNA, vnese v zdravo gostiteljsko celico, se lahko integrira v kromosom te bakterije in spremeni njen genom in genom hčerinskih celic.
• Menijo, da so med "specializirano" transdukcijo lizogeni fagi, ojačani v bakterijski populaciji, izrezali del bakterijske DNA s svojim genomom in tako sprožili cikel litične replikacije. Ker imajo lizogeni enako mesto integracije, vsi potomci fagi transducirajo isti bakterijski gen v svoje nove gostitelje.

Poleg genske izmenjave lahko bakteriofagi spremenijo mikrobne populacije, ker lovijo določene vrste bakterij, ne da bi pri tem škodovali drugim. Več kot 100 let so raziskovalci to lastnost poskušali uporabiti za zdravljenje patogenih bakterijskih okužb pri ljudeh in živalih. Medtem ko bodo divji fagi verjetno začasno vplivali na populacije divjih bakterij, jih je veliko ovire za klinično uporabo litičnih bakteriofagov kot protimikrobne terapije (terapija s fagi) v ljudi.

Prvič, divji bakterijski sevi so zelo raznoliki in mnogi od njih so odporni na enega ali več fagov. Znanih je veliko odpornih mehanizmov, na primer en dobro znan primer je sistem CRISPR-Cas9, ki je trenutno ustvarjen kot orodje za genetsko manipulacijo v laboratoriju, ki se pojavlja kot obrambni mehanizem bakterij pred bakteriofagi okužbe. Poleg tega so fagi veliko bolj imunogeni kot protimikrobna zdravila in jih retikularni endotelijski sistem hitro očisti iz krvi. Njihova velika velikost v primerjavi s protimikrobnimi sredstvi bo verjetno omejila njihovo lokalno uporabo, če bodo odkriti učinkoviti fag koktajli. Nekateri raziskovalci so predlagali, da bi bila uporaba faznih encimov, ki lahko prodrejo v bakterijske celične stene, lažja strategija. Do danes ni bilo randomiziranih, dvojno slepih kontroliranih preskušanj, ki bi kazala učinkovitost obeh strategij pri ljudeh.

Klinični pomen

Fagi so klinično pomembni iz več razlogov. Prvič, mnogi visoko patogeni bakterijski toksini so kodirani z genomi bakteriofagov, zato je gostiteljska bakterija patogena le, če je lizogenizirana s fagom, ki kodira toksin. Primeri so toksin kolere Vibrio kolera, toksin davice v Corynebacterium diphtheriae, botulinski nevrotoksin v Clostridium botulinum, binarni toksin Clostridium difficilein toksin vrste šiga Shigella. Brez toksinov, kodiranih s fagi, so te vrste bakterij veliko manj patogene ali pa sploh niso. Zakaj fagi kodirajo te toksine, ni znano. Medtem ko toksin kolere verjetno pomaga tako fagu kot gostitelju, da z indukcijo dosežeta svoj naslednji plen obilna, vodena driska, paraliza, ki je posledica botulinskega toksina, se zdi nasprotno učinek.

Drugič, bakteriofagi so vektorji za horizontalni prenos genov, vključno z geni za protimikrobno odpornost. Zasnovani so bili tudi za vnos genov v nekatere seve za klinično korist, čeprav je njihova uporaba trenutno v fazi testiranja.

Tretji klinično pomemben vidik bakteriofagov je, da se njihovo odkrivanje lahko uporabi kot biomarker za prisotnost njihovega gostitelja v kompleksnem vzorcu iz okolja. Najpogosteje se uporabljajo kot nadomestek za fekalno onesnaženje vodnih virov. Če je prisoten fag, je najverjetneje tudi gostitelj. Po drugi strani so bili fagi izdelani za proizvodnjo zaznavne molekule, kot je npr luciferazo, ko okužijo svojega gostitelja, kot sredstvo za odkrivanje bakterij v mešanem vzorcu okolja.

Čeprav so bakteriofage v veliki meri nadomestile nove tehnologije, imajo tudi klinični pomen zaradi njihove sposobnosti razlikovanja med sevi iste bakterijske vrste. Večina preučenih bakterijskih vrst ima več patogenih bakteriofagov, tako kot smo ljudje kot vrsta dovzetni za več virusov. Različni sevi znotraj vrste so odporni na nekatere fage, na druge pa ne. S sistematičnim okužbo vsakega seva s standardno ploščo fagov za to vrsto je mogoče vsak sev prepoznati po vrsti občutljivosti in odpornosti na posamezno vrsto faga. Za tipkanje fagov zlati stafilokokna primer za razlikovanje sevov je uporabil standardiziran panel bakteriofagov, široko razširjen po vsem svetu S. aureus. Pred razvojem molekularnih tehnik v ta namen, kot sta tipkanje večlokusnih zaporedij in z elektroforezo v gelu z impulznim poljem, tipizacija fagov je bila standardno merilo za sledenje sevom v epidemiološke namene.

Končno so bili bakteriofagi prva vrsta virusa, ki so jo odkrili, in so postali del mnogih temeljnih odkritij molekularne biologije. Na primer, dokazi, da je bila DNA molekula, ki prenaša genetske informacije, so glavni Mehanizmi regulacije genov in genetski kod, če naštejemo le nekatere izmed njih, so bili odkriti z uporabo bakteriofagi.