Бактериофаг дефиниция, строеж, жизнен цикъл и терапевтични приложения

Бактериофагът е вирус, който заразява бактерии. Терминът обикновено се съкращава на фаг. Бактериофагите са сред най-разпространените и разнообразни образувания в биосферата. Подобно на вирусите, които заразяват еукариоти (растения, животни и гъби), съществуват много различни структури и функции на фагите. Някои са тясно специализирани за един вид бактерия, други имат по-широк хост-спектър.

Строеж и генетичен материал

Класическата морфология на много бактериофаги включва глава (капсид) и опашка. Върхът на фагите често е икосаедрична капсула — форма на зарче с 20 страни и 30 ръба — където се съдържа генетичната информация. Тази глава често е свързана с опашка, която може да бъде кратка или дълга и да носи опашни влакна, подобни на крака, с които фагът се прикрепва към повърхността на бактериалната клетка.

Фагите обикновено се състоят от външен протеинов корпус, в който има генетичен материал. Генетичният материал може да бъде едноверижен (ssRNA или ssDNA) или двуверижен (dsRNA или dsDNA). Той може да бъде дълъг между 5 000 и 500 000 базови двойки, с кръгово или линейно разположение. Някои от най-големите познати бактериофаги (т.нар. "джъмбо" фаги) имат геноми над 200 kb. Размерите на вирионите обикновено варират между 20 и 200 нанометра, но има и по-дълги, нишковидни фаги (например от семейство Inoviridae), които не следват класическия "глава-опашка" модел.

Геномите на фагите могат да съдържат както само няколко (например четири) гена, така и стотици гени. Структурните гени кодират капсидни и опашни белтъци; други гени контролират репликацията, рекомбинацията, регулацията и модификацията на клетъчните процеси.

Жизнен цикъл

Фаговият жизнен цикъл започва с контакт и прикрепване (адсорбция) към специфични рецептори на повърхността на бактерията, последвано от инжектиране на генома в клетката. Оттук нататък има няколко основни стратегии:

• Литичен (вирулентен) цикъл: геномът взема контрол над клетъчните механизми, произвеждат се нови фагови частици, те се асемблират и в края фагите произвеждат ензими (лигатази/лизицини/хидролази), които разлагат клетъчната стена и освобождават новите вириони чрез лизис на клетката.
• Лизогенен (температен) цикъл: при някои фаги геномът се интегрира в бактериалния хромозом като профаг или се поддържа като плазмиден елемент; бактериалната клетка продължава да се дели, пренасяйки профага на поколенията. При определени стимули (стрес, UV лъчение и др.) профагът може да се индуцира и да превключи в литична фаза.
• Хронична инфекция и секреторни форми: някои нишковидни фаги се отделят от клетката без да я лизират, причинявайки продължителна продукция на вириони.

Процесите на прихващане, транскрипция/репликация, асемблиране и освобождаване включват комплексни взаимодействия между фагови и бактериални белтъци. Фаговите ензими за разграждане на клетъчната стена (например лизозимоподобни ензими) позволяват пробиването на бактериалния пeриплазмен слой и освобождаването на нови частици.

Екология и разпространение

Фагите се срещат навсякъде, където има бактерии — в почвата, в червата на животните, в отпадъчни води и особено в морската вода. В океаните в повърхностните микробни рогозки са открити до 9×10⁸ вириони на милилитър, а до 70 % от морските бактерии могат да бъдат заразени с фаги. Често фаговете играят ключова роля в регулирането на бактериалните популации, цикъла на хранителни вещества и т.нар. "вирусен шънт", чрез който органичната материя се връща в микробното и химичното кръговратство.

Фаговете също участват в хоризонталния трансфер на гени чрез трандукция, което може да допринася за разпространението на гени, свързани с вирулентност или резистентност към антибиотици — явление с голямо значение за общественото здраве.

Терапевтични и приложни използвания

В бившия Съветски съюз и Централна Европа, както и във Франция, бактериофагите се използват повече от 90 години като алтернатива на антибиотиците. Истинската природа на фага обаче е установена едва след като Хелмут Руска наблюдава първия фаг под електронен микроскоп през 1939 г.

• Фаготерапия: използването на лизични фаги за лечение на бактериални инфекции, включително такива, причинени от резистентни на антибиотици щамове. Преимуществата включват висока специфичност (малък ефект върху нормалната микрофлора), способност за самоусилване на мястото на инфекцията и възможност за персонализирани "фагови коктейли".
• Контрол в хранително-вкусовата индустрия и селското стопанство: фаги се използват за намаляване на патогенни бактерии по повърхности, при животни и върху продукти за безопасност на храните.
• Биотехнологии: техниката phage display позволява експресия на пептиди/антитела върху фагови капсиди и се използва за селекция на свързващи молекули и разработка на биотерапии.
• Диагностика и типизиране: фагове служат за типизиране на бактериални щамове (фагова типизация) и могат да бъдат инструмент в молекулярната диагностика.

Предимства и ограничения

Фагите предлагат обещаващи решения, но имат и ограничения:

• Плюсове: висока специфичност, възможност за комбиниране с антибиотици, биодеградабилност, по-малко странични ефекти за нормалната флора.
• Минуси: тесен хост-спектър (изисква точна идентификация на причинителя), възможност за имунен отговор към фаговите частици, риск от прехвърляне на гени (трандукция) при използване на температни фаги, необходимост от адаптиране на терапията при появата на фаг-резистентни бактерии.

Някои фаги могат да усложняват клинични състояния — например в контекста на биофилмите, свързани с пневмония и муковисцидоза. Фаговете могат да подпомагат образуването и стабилността на биофилмите или обратно — да помогнат за тяхното разграждане чрез фагови деполимерази. Следователно ролята им в биофилмите е сложна и зависи от конкретните взаимодействия между фаг, гостоприемник и среда.

Изолация, характеризация и изследвания

Изследователите изолират фагове от проби, където присъстват бактериални хостове (например отпадъчни води, почва, морска вода), чрез култивиране с подходящи бактериални щамове и оценка по метода на плаковете (plaque assay). За характеризация се използват електронна микроскопия, геномно секвениране, хост-диапазон изследвания и функционални тестове (литичност, деполимеразна активност и др.).

Регулация и клинични приложения днес

През последните десетилетия интересът към фаготерапията нараства глобално. Провеждат се клинични изследвания и няколко регулаторни органа обмислят пътища за оценка на безопасността и ефективността на фагови продукти. В някои случаи се прилагат индивидуализирани фагови терапии при тежки инциденти с резистентни инфекции, често в рамките на експериментални или спешни програми. За терапевтични цели обикновено се предпочитат строго лизични фаги и внимателно се проверява липсата на фактори, които биха могли да прехвърлят нежелани гени.

В заключение, бактериофагите са многообразни и екологично важни агенти с широк спектър на приложение в медицината, индустрията и изследванията. Развитието на молекулярните методи и секвенирането ускорява разбирането на тяхната биология и потенциални клинични ползи, като същевременно изисква внимателна оценка на безопасността и етичните/регулаторните аспекти при приложението им.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява бактериофагът?

В: Как изглежда горната част на фага?

В: Какъв е диапазонът на размерите на бактериофагите?

В: Колко гена могат да бъдат кодирани от генома на фагите?

В: Как фагите се възпроизвеждат в бактериите?

Въпрос: Къде можем да намерим фаги?

Въпрос: Кога за първи път е открито от какво са съставени тези вируси?

Търсене по буква