Бактериофаги: шта је то, функција и клинички значај

Шта су бактериофаги?

Бактериофагитакође познат као фагесу вируси који се инфицирају и размножавају само у бактеријским ћелијама. Они су свеприсутни у животној средини и препознати су као најзаступљенији биолошки агенс на Земљи. Изузетно су различите по величини, морфологији и геномској организацији. Међутим, сви се они састоје од генома нуклеинске киселине инкапсулираног у фагом кодираном капсидни протеини који штите генетски материјал и посредују у његовој испоруци до следећег ћелија домаћин. Електронска микроскопија омогућила је детаљну визуализацију стотина врста фага, од којих неки имају „главе“, „ноге“ и „репове“. Упркос томе, бактериофаги су непокретни и зависе од Бровновог кретања за постизање својих циљева.

Као и сви вируси, бактериофаги су врло специфични за врсту у односу на своје домаћине и обично инфицирају само једну врсту бактерија или чак одређене сојеве унутар врсте. Када се бактериофаг веже за осетљивог домаћина, он примењује једну од две стратегије репликације: литичку или лизогену.

Током циклуса литичка репликација Фаг се везује за осетљиву бактерију домаћина, убацује свој геном у цитоплазму ћелије домаћина и користи рибосоме домаћина за производњу протеина. Ресурси ћелија домаћина брзо се претварају у вирусне геноме и капсидне протеине, који су састављени у више копија оригиналног фага. Када ћелија домаћин умре, она се активно или пасивно лизира, ослобађајући нови бактериофаг да инфицира другу ћелију домаћина.

У петљи лизогена репликација фаг се такође везује за осетљиву бактерију домаћина и уводи свој геном у цитоплазму ћелије домаћина. Међутим, геном фага је уместо тога интегрисан у хромозом бактеријске ћелије или се одржава као еписомални елемент, где се у оба случаја реплицира и преноси на ћерке бактеријске ћелије, није убијајући их. Интегрисани геноми фага називају се профаги, а бактерије које их садрже називају се лизогени. Профаги се могу вратити у циклус литичке репликације и убити свог домаћина, најчешће као одговор на променљиве услове околине.

Функција бактериофага

Иако бактериофаги не могу да се инфицирају и размножавају у људским ћелијама, они су важан део људски микробиом и најважнији посредник генетске размене између патогених и непатогених бактерије. Пренос гена из једног бактеријског соја у други помоћу бактериофага назива се трансдукција и може се десити на генерализован или специфичан начин.

• Код "генерализоване" трансдукције, насумични фрагменти бактеријске геномске ДНК су упаковани унутра фагних капсида уместо фагенске геномске ДНК, јер ћелија домаћин пропада из литичке репликација. Ако га фаг који носи ову бактеријску ДНК унесе у здраву ћелију домаћина, може се интегрирати у хромозом ове бактерије, мијењајући њен геном и геном ћелија кћери.
• Верује се да су током "специјализоване" трансдукције, лизогени фаги појачани у бактеријској популацији исекли део бактеријске ДНК својим геномом, започињући циклус литичке репликације. Пошто лизогени имају исто место интеграције, сви потомци фаги трансдуцирају исти бактеријски ген у своје нове домаћине.

Осим генетске размјене, бактериофаги могу промијенити микробну популацију јер лове одређене врсте бактерија, а да не нашкоде другима. Више од 100 година истраживачи су покушавали да користе ово својство за лечење патогених бактеријских инфекција код људи и животиња. Иако ће дивљи фаги вероватно имати привремени ефекат на популације дивљих бактерија, има их много баријере за клиничку употребу литичких бактериофага као антимикробне терапије (терапија фазима) у људи.

Прво, дивљи сојеви бактерија су веома разноврсни и многи од њих су отпорни на један или више фага. Познати су многи механизми отпора, на пример, један добро познат пример је систем ЦРИСПР-Цас9, тренутно креиран као алат за генетску манипулацију у лабораторији, настао као одбрамбени механизам бактерија против бактериофага инфекције. Осим тога, фаги су много имуногенији од антимикробних лекова и ретикуларним ендотелним системом се брзо уклањају из крви. Њихове велике величине у поређењу са антимикробним лековима вероватно ће ограничити њихову локалну употребу ако се пронађу ефикасни фагл коктели. Неки истраживачи сугеришу да би употреба фагних ензима који могу продрети у ћелијске зидове бактерија могла бити лакша стратегија. До данас није било рандомизованих, двоструко слепих контролисаних испитивања која би показала ефикасност обе стратегије на људима.

Клинички значај

Фаги су од клиничког значаја из више разлога. Прво, многи високо патогени бактеријски токсини кодирани су геномима бактериофага, тако да је бактерија домаћин патогена само ако је лизогенизирана помоћу фага који кодира токсин. Примери су токсин колере у Вибрио цхолерае, токсин дифтерије у Цоринебацтериум дипхтхериае, ботулинум неуротокин ин Цлостридиум ботулинум, бинарни токсин у Цлостридиум диффициле, и шига токсин врсте Схигелла. Без токсина кодираних фагом, ове врсте бактерија су или много мање патогене или уопће нису патогене. Зашто фаги кодирају ове токсине није познато. Док токсин колере вероватно помаже и фагу и домаћину да индуцирају свој следећи плен обилна, воденаста дијареја, парализа настала услед ботулинум токсина изгледа да је обрнута Ефекат.

Друго, бактериофаги су вектори за хоризонтални пренос гена, укључујући гене за антимикробну резистенцију. Они су такође дизајнирани за увођење гена у одређене сојеве ради клиничке користи, иако је њихова употреба тренутно у фази испитивања.

Трећи клинички значајан аспект бактериофага је да се њихово откривање може користити као биомаркер за присуство њиховог домаћина у сложеном узорку животне средине. Најчешће се користе као сурогат за фекалну контаминацију извора воде. Ако је присутан фаг, највероватније је присутан и домаћин. С друге стране, фаги су конструисани за производњу молекула који се може детектовати, као што је нпр луциферазе када инфицирају свог домаћина, као средство за откривање бактерија у мешовитом узорку Животна средина.

Иако су бактериофаги у великој мери замењени новим технологијама, они такође имају клинички значај због своје способности да разликују сојеве истих бактеријских врста. Већина проучаваних бактеријских врста има неколико патогених бактериофага, баш као што су људи као врста осјетљиви на неколико вируса. Различити сојеви унутар врсте отпорни су на неке фаге, али не и на друге. Систематским инфицирањем сваког соја стандардним панелом фага за ту врсту, сваки сој се може идентификовати према врсти осетљивости и резистенције на сваку врсту фага. За куцање фага Стапхилоцоццус ауреус, на пример, користио је стандардизовану групу бактериофага, широко распрострањену у међународним оквирима, за разликовање сојева С. ауреус. Пре развоја молекуларних техника у ту сврху, као што је куцање секвенци са више фокуса и пулсна електрофореза у гелу, типизација фага била је стандардни критеријум за праћење сојева у епидемиолошке сврхе.

Коначно, бактериофаги су били прва врста вируса који је откривен и постали су део многих темељних открића молекуларне биологије. На пример, докази да је ДНК био молекул који преноси генетске информације, главни Механизми регулације гена и генетски код, да наведемо само неке од њих, откривени су помоћу бактериофаги.