Bakteriofag (fag) — definicija, zgradba, življenjski cikli in uporaba

Bakteriofag (fag) — definicija, zgradba, življenjski cikli in uporaba. Spoznajte delovanje fagov, terapijo proti odpornim bakterijam in njihove biotehnološke vloge.

Bakteriofag je virus, ki okuži bakterije. Pogosto se uporablja skrajšana oblika fag. Bakteriofagi so med najštevilčnejšimi in genetsko najraznoliknejšimi entitetami v biosferi in se pojavljajo v vseh okoljih, kjer so prisotne bakterije (npr. v prsti, v črevesju živali, v sveži in morskih vodah).

Zgradba in genom

Večina fagov ima proteinično ovojnico (kapid) in notranji genetski material. Fagi so lahko sestavljeni iz preprostih struktur (le proteinični ovoj, v katerem je genom) ali kompleksnih teles s kontraktilno kapico in repnimi enotami. Tipične sestavine so:

• proteinski kapid, ki ščiti genom;
• repne strukture in repne vlakne, ki sodelujejo pri pritrditvi in vbrizgavanju genoma v bakterijsko celico;
• včasih dodatne ovojnice ali posebni encimi za prebavo bakterijske stene.

Genetski material fagov je lahko enoverižna (ssRNA ali ssDNA) ali dvoverižna (dsRNA ali dsDNA). Dolžina genomov se zelo razlikuje: klasični fagovski genomi segajo od nekaj tisoč baz do več sto kilobaz (pogosto navajajo razpon približno 5–500 kilobaz), obstajajo pa tudi tako imenovani »jumbo« fagi z genomi >500 kb. Genomi so lahko krožni ali linearni in običajno vsebujejo od le nekaj do več sto genov.

Fagi so običajno veliki od približno 20 do 200 nanometrov, čeprav obstajajo izjeme (manjši in večji fagi).

Življenjski cikli

Bakteriofagi se razmnožujejo z vdorom svojega genoma v bakterijsko gostiteljsko celico, nato pa prevzamejo gostiteljske mehanizme za izdelavo svojih komponent in sestavljanje novih virionov. Glavni življenjski cikli so:

• Litnični (lytnični) cikel: fag vdre v bakterijo, takoj preusmeri gostiteljske sisteme za proizvodnjo novih fagov in običajno povzroči lizo (razpad) bakterijske celice, pri čemer se sprostijo novi virioni. To vodi do hitre smrti gostitelja.
• Lizogeni (temperatni) cikel: temperantni fagi vgradijo svoj genom v bakterijski kromosom ali obstanejo kot plazmid (prophage), kjer se podvajajo skupaj z gostiteljevo DNA brez takojšnje lize. V določenih pogojih se lahko prophage aktivira in preide v litnični cikel.
• Kronični izločalni cikel: pri nekaterih fagi (npr. filamentoznih) se novi virioni stalno izločajo iz gostitelja brez lize, gostiteljska celica pa lahko ostane živa dalj časa.
• Psevdo-lizogenija: stanje, ko fagov genom obstaja v celici brez jasne integracije ali aktivne replikacije in se lahko aktivira ob ugodnih pogojih.

Fagi pomembno vplivajo tudi na horizontalni prenos genetskega materiala (transdukcija), kar lahko vključuje prenos genov za antibiotikoodpornost ali virulenco med bakterijami.

Ekološka vloga

Fagi so prisotni povsod, kjer so bakterije. V morskih sistemih so izredno številni — v mikrobnem sloju na površini vode so našli do 9 × 10⁸ virionov na mililiter, s fagi pa je lahko okuženih do 70 % morskih bakterij. Sodelujejo pri regulaciji populacij bakterij, kroženju hranil (s protokolom "viral shunt") in oblikovanju sestave mikrobiomov. Z encimskim razgradnim delovanjem lahko nekateri fagi pomagajo razgrajevati biofilme ali pa, nasprotno, povzročijo spremembe, ki omogočijo preživetje bakterij v biofilmu.

Uporaba in pomen v medicini ter industriji

Fagi so že dolgo raziskani kot orodje in sredstvo za boj proti bakterijskim okužbam ter kot raziskovalni pripomoček. Pomembne aplikacije vključujejo:

• Fagoterapija: uporaba fagov kot alternative ali dopolnilo antibiotikom, zlasti proti antibiotikom odpornim sevom bakterij. V nekdanji Sovjetski zvezi in Srednji Evropi ter v Franciji so fagi v klinični praksi uporabljeni že več desetletij; zanimanje se je v zadnjih letih ponovno povečalo zaradi porasta odpornosti na antibiotike.
• Preprečevanje in razgradnja biofilmov: nekateri fagi in njihovi encimi (npr. depolimeraze, endolizini) lahko razgrajujejo polisaharidne matrice biofilmov in pomagajo odstraniti bakterijske naselitve z medicinskih naprav ali iz dihalnih poti pri boleznih, kot sta pljučnica in cistično fibrozo. Hkrati pa določeni fagi lahko prispevajo k nastanku biofilmov, zato je potrebno skrbno preučevanje.
• Varnost hrane in kmetijstvo: fagi se uporabljajo za nadzor bakterijskih patogenov v živilih (npr. Salmonella, Listeria) in kot biokontrola v kmetijstvu za zmanjšanje bakterijskih bolezni rastlin ali živali.
• Biotehnologija in diagnostika: phage display tehnologije omogočajo izbiro peptidov ali protiteles; fagi se uporabljajo tudi kot biosenzorji za hitro odkrivanje bakterij. Encimi fagov (endolizini) se preučujejo kot potencialna nova antimicrobna sredstva.

Uporaba fagov ima tudi omejitve: specifičnost gostitelja pomeni, da je treba za terapično uporabo pogosto uporabljati mešanice fagov (koktajle); obstaja možnost nastanka odpornosti bakterij na fage; pri temperantnih fagih obstaja tveganje prenosa škodljivih genov (npr. toksinov ali genov odpornosti); ter regulatorni in proizvodni izzivi pri standardizaciji in odobritvi zdravil.

Zgodovina in raziskave

Prve opise bakteriofagov so že v začetku 20. stoletja prispevali Frederick Twort in Félix d'Hérelle, ki je leta 1917 skoval izraz »bacteriophage« in začel uporabniško terapijo. V nekdanji Sovjetski zvezi in nekaterih evropskih državah so fagi kot alternativa antibiotikom uporabljeni že več kot 90 let. Njihovo fizično pojavnost je z elektronskim mikroskopom jasno prikazal Helmut Ruska leta 1939, ko je opazil prve fage.

Sodobne metode raziskovanja vključujejo izolacijo in tipizacijo fagov s plakatnimi testi, morfološko analizo z elektronskim mikroskopom, sekvenciranje genomov in bioinformatično analizo ter eksperimentalne študije interakcij fag–gostitelj. S hitro rastočo bazo sekvenc in metagenomskih podatkov odkrivamo vedno več raznolikosti fagov, vključno z velikimi »jumbo« fagi in novimi funkcionalnimi geni.

Metode in varnost pri uporabi

Za odkrivanje in kvantifikacijo fagov se uporabljajo plakatne metode, titracijski testi, qPCR in sekvenciranje. Za terapevtsko uporabo morajo biti fagi visoko čisti, genetsko karakterizirani in brez škodljivih genov. Fagoterapija se pogosto izvaja kot individualizirana ali koktajl terapija; pri klinični uporabi se upošteva tudi imunski odziv pacienta in morebitna interakcija s standardnimi antibiotiki.

Zaključek

Bakteriofagi so ključni del mikrobioloških ekosistemov in imajo velik potencial v medicini, industriji in raziskavah. Zaradi svoje raznolikosti, gostiteljske specifičnosti in sposobnosti prenosa genov so hkrati orodje in predmet previdnosti. Z naraščajočo odpornostjo bakterij na antibiotike se zanimanje za fage kot terapevtsko in biotehnološko orodje še povečuje, a je za varno in učinkovito uporabo nujno nadaljnje temeljito raziskovanje, regulacija in standardizacija.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je bakteriofag?

V: Kako je videti vrh faga?

V: Kakšen je razpon velikosti bakteriofagov?

V: Koliko genov lahko kodira genom fagov?

V: Kako se fagi razmnožujejo v bakterijah?

V: Kje lahko najdemo fage?

V: Kdaj je bilo prvič ugotovljeno, iz česa so sestavljeni ti virusi?

Išči po črki