Бактериофаг

Структура на типичен миовирусен бактериофаг

Бактериофаг (од „бактерија“ и грчкото φάγειν = „јаде“, множ. бактериофази) е еден од бројните вируси кои ја инфицираат бактеријата. Бактериофазите се едни од најраспространетите фази на Земјата. Терминот често се употребува со неговата скратена форма, „фаг“ (меѓун. phage).

Типично, бактериите се состојат од надворешно белковинско (белковинско) тело кое опфаќа генетски материјал. Генетскиот материјал може да биде ssРНК, dsРНК, ssДНК или dsДНК (претставките „ss-“ или „ds-“ значат еднoверижна или двоверижна, соодветно) помеѓу 5 и 500 килонуклеотиди долги со кружно или линеарно уредување. Бактериофазите се многу помали од бактериите кои ги уништуваат, обично помеѓу 20 и 200 nm во големина.

Фазите се оценети како најраспространети и најразновидни единки во биосферата. Фазите се сеприсутни и можат да се најдат во сите резервоари населени со бактериски домаќини, како почвата или цревата на животните. Еден од најгустите природни извори на фази и други вируси е морската вода, каде во микропските слоеви на површината се наоѓаат 9×10⁸ вириони на милиметар, и до 70% од морските бактерии може да бидат инфицирани од фази.

60 години во поранешниот Советски Сојуз и источна Европа биле употребувани како алтернатива за антибиотици. Се сметаат за можна терапија против многу бактерии кои имаат вериги кои се резистентни на многу лекови.

Класификација на фазите

Шематски приказ на структурата на еден типичен опашест бактериофаг

Опашестите фази со dsДНК , или Caudovirales, изнесуваат 95% од сите фази регистрирани во научната литература и најверојатно го сочинуваат мнозинството фази на планетата. Меѓутоа, постојат други фази кои се појавуваат во изобилство во биосферата, фази со различни вириони, геноми и стилови на живеење. Фазите се класифицираат според морфологијата и нуклеинската киселина од Меѓународната комисија за таксономија на вируси (МКТВ).

Класификација на фазите според МКТВ

Поредок	Фамилија	Морфологија	Нуклеинска киселина
Caudovirales	Myoviridae	необвиткан, несклоплива опашка	линеарна dsДНК
	Siphoviridae	необвиткан, долга несклоплива опашка	линеарна dsДНК
	Podoviridae	необвиткан, кратка несклоплива опашка	линеарна dsДНК
	Tectiviridae	необвиткан, изометричен	линеарна dsДНК
	Corticoviridae	необвиткан, изометричен	кружна dsДНК
	Lipothrixviridae	обвиткан, стапечест	линеарна dsДНК
	Plasmaviridae	обвиткан, плеоморфен	кружна dsДНК
	Rudiviridae	необвиткан, стапечест	линеарна dsДНК
	Fuselloviridae	необвиткан, во форма на лимон	кружна dsДНК
	Inoviridae	необвиткан, во форма на влакно	кружна ssДНК
	Microviridae	необвиткан, изометричен	кружна ssДНК
	Leviviridae	необвиткан, изометричен	линеарна ssДНК
	Cystoviridae	обвиткан, сферичен	разделена dsРНК

Историја

Уште од антички времиња постојат документирани извештаи дека речната вода има способност да лечи инфекциски болести, како на пример лепра. Во 1896 г, Ернест Ханбери Ханкин покажал дека нешто во водите на реките Ганг и Јумна во Индија имале забележително антибактериско дејство против колера и можеле да поминат низ многу тенок порцелански филтер. Во 1915 г. британскиот бактериолог Фредерик Творт, управник на Институтот Браун во Лондон, открил мал агенс кој инфицирал и убивал бактерии. Тој го сметал агенсот како 1) фаза во животниот циклус на бактериите, 2) ензим произведен од самите бактерии или 3) вирус кој растел на и уништувал бактерии. Работата на Творт била прекината со почетокот на Првата светска војна и недостигот на финансии. Независно, француско-канадскиот микробиолог Феликс Дереле, кој работел во Институтот Пастер во Париз, на 3 септември 1917 г. изјавил дека открил „невидлива, антагонистичка микроба од дизентерија bacillus“. За Дереле, не постоело сомнеж за неговото откритие: „Веднаш сфатив: она што ги предизвика јасните точки всушност беше невидилива микроба...вирус како паразит на бактерија.“ Дереле го нарекол вирусот бактериофаг или јадач на бактерии (од гркчкиот збор phagein што значи да јаде). Тој, исто така, забележал и драматичен број лица кои страдале од дизентерија и кои оздравеле со помош на бактериофазите. Во 1926 г. во романот Ероусмит,кој бил награден со Пулицерова награда, Синклер Луис ја сметал употребата на бактериофази како терапевтски агенс. Исто така, во 1920-тите бил отворен Институтот Елиава, во Тбилиси, Грузија, за да ја истражува оваа нова наука и да ја спроведе во пракса. Во 2006 г. Министерството за одбрана на ВБ ја презема одговорноста за глобалното партнерство со приоритет на проектот Елиава, основано на Г8, како ретроспективно истражување кое ќе го испитува потенцијалот на бактериофазите за 21-иот век.

Размножување

Бактериофазите може да имаат литички циклус или лизогенски циклус, но само неколку вируси се способни да ги изведат и двата. Со разградувачките фази, како Т4 фагот, бактериските клетки се разрушени (разградени) и уништени по директното размножување на вирионот. Штом ќе се уништи клетката, новите бактериофагни вируси може да најдат нови домаќини. Разградувачките фази се соодветен вид за терапија со фази.

Спротивно на ова, лизогенскиот циклус не резултира со директно разградување на клетката домаќин. Оние фази кои се способни да поднесат лизогенија се познати како фази во мирување. Нивниот вирален геном се интегрира со ДНК на домќинот и се размножува со него сосема безопасно и може дури и да се утврди како плазмид. Вирусот останува неактивен сè додека условите во домаќинот не се влошат, најверојатно како последица на намалување на хранливите материи, па тогаш ендогените фази (познати како профази) стануваат активни. Во овој момент тие го поттикнуваат размножувачкиот циклус кој резултира со разградување на клетката-домаќин. Додека лизогенскиот циклус ѝ дозволува на клетката-домаќин да продолжи да преживува и да се размножува, вирусот се размножува во сите производи на клетката.

Понекогаш профазите може да бидат корисни за бактеријата-домаќин, додека се неактивни, преку додавање нови функции на бактерискиот геном во феноменот наречен лизогенско претворање. Познат пример е претворањето на безопасната верига на Vibrio cholerae во високо вирулентна верига од страна на фаг кој предизвикува колера. Тоа е причината зошто фазите во мирување не се соодветни за терапија со фази.

Прикачување и пенетрација

Електронски микрограф на бактериофази прикачени за бактериска клетка. Овие вируси се со големина и облик на колифаг Т1.

За да влезат во клетка-домаќин, бактериофазите се прикачуваат за специфични рецептори на површината на бактериите, вклучувајќи липополисахариди, теихоични киселини, белковини па дури и флагели. Оваа специфичност значи дека бактериофаг може да зарази одредени рецептори, кои влијаат врз бактерии, за кои може да се врзе, што го одредува опсегот на домаќинот на фагот. Бидејќи вирионите на фазите не се движат самостојно, тие мора да се потпрат на случајни средби со правите рецептори додека се во раствор (крв, лимфна циркулација, иригација, вода од почва, итн.).

Комплексните бактериофази употребуваат движење во вид на шприц, за да го инјектираат својот материјал во клетката. Откако ќе дојдат во допир со соодветниот рецептор, влакната од опашката го приближуваат долниот слој до површината на клетката. Кога целосно ќе се прикачат, опашката се стега, најверојатно со помош на ATP присутен во опашката (Прескот, 1993), при што инјектира генетски материјал низ бактериската мембрана.

Синтеза на белковини и нуклеинска киселина

За неколку минути, бактериските рибозоми почнуваат да ја претвораат вирусната mРНК во белковина. За фазите на основа на РНК, РНК-репликазата е синтетизирана рано во процесот. Белковините ја видоизменуваат бактериската РНК-полимераза за таа привилегирано да ја претвори вирусната РНК. Нормалната синтеза на белковини и нуклеински киселини на домаќинот е нарушена и е присилена место тоа да произведува вирусни производи. Овие производи продолжуваат за да станат дел од нови вириони во клетката, белковини-помошници кои помагаат да се соберат новите вириони или белковини вклучени во разградувањето на клетката. Волтер Фирс (Универзитетот во Гент, Белгија) бил првиот кој ја утврдил целосната нуклеотидна секвенца на генот (1972) и на вирусниот геном на бактериофагот MS2 (1976).

Вирионско составување

Во случајот на Т4 фаг, составувањето на новите вирусни делови ја вклучува помошта од белковините-помошници. Долните слоеви се склопуваат први, со тоа што потоа врз нив се создаваат опашките. Капсидите на главата, составени одделно, спонтано се составуваат со опашките. ДНК е ефикасно сместена во главите. За целиот процес потребни се околу 15 минути.

Ослободување вириони

Фазите може да се ослободат преку разградување на клетката или, во неколку случаи, преку пупење. Разградувањето, преку опашести фази, се добива со ензим наречен ендолизин кој го напаѓа и крпи клеточниот ѕид, пептидогликан. Целосно различен вид фаг, фази во форма на влакна, прави клетката домаќин постојано да излачува нови вирусни делови. Ослободените вириони се опишани како слободни и, освен ако не се дефектни, способни се да инфицираат нова бактерија. Пупењето се поврзува со одредени микоплазматични фази. За разлика од вирионското ослободување, фазите кои прикажуваат лисогенски циклус не го убиваат домаќинот, туку почесто стануваа долготрајни жители како профаг.

Терапија со фази

Главна статија: Терапија со фази

Откриено е дека фазите се антибактериски агенси и дека почнале да се употребуваат кратко по нивното откривање, но со променлив успех. Меѓутоа, антибиотиците биле откриени неколку години подоцна и имало широка побарувачка, а биле популарни поради нивниот широк спектар. Исто така, биле полесни за производство на големо, за снабдување и препишување на рецепт. Оттука, развојот на терапијата со фази бил во голема мера прекинат на Запад, но продолжил да се употребува во текот на 1940-тите во поранешниот Советски Сојуз за лечење бактериски инфекции, со широка употреба, вклучувајќи ги војниците од Црвената армија, но голем дел од литературата била на руски или грузиски и многу години била недостапна на Запад. Ова продолжило по војната, со широка употреба која продолжила во Грузија и насекаде низ источна Европа. Таму постојат анегдотски докази, но во САД или западна Европа нема целосни клинички испитувања.

Бактериофазите во околината

Забележување на бактериофази во лабораториски услови.

Некогаш одамна било откриено дека фазите се пораспространети во свежа вода и морски средини отколку што порано се мислело и дека може да предизвикаат значителна смртност на бактериопланктони. Во екологијата на фагната заедница развиени се методи за да се процени смртноста на бактериопланктон предизвикана од фаг и улогата во процесите на мрежна исхрана и биогеохемиските циклуси, генетски да се земаат отпечатоци од заедниците или популациите на фази и да се процени вирусната биоразновидност преку метагеномија. Ослободувањето производи од разградувањето на фазите го претвора органскиот јаглерод од чесгички (клетки) во растворени форми (производи на разградување), што го прави органскиот јаглерод повеќе био-достапен и притоа дејствува како катализатор на геохемиски хранливи циклуси. Фазите не се само најраспространети биолошки единки, туку најверојатно се и најразновидни. Поголемиот дел од резултатите добиени од фагните заедници немаат еквивалент во базите на податоци. Овие податоци и други подробни анализи покажуваат дека гените специфични за фази и еколошките особини се многу почести отколку што се мислело претходно. Со цел да се открие значењето на оваа генетска и еколошка разновидност, испитувањата треба да се изведуваат со заедниците и на спациотемпорални размери соодветни за микроорганизми.

Бактериофазите, исто така, се употребуваат и во хидролошко трасирање и моделирање во речните системи особено каде што настанува заемно дејство меѓу површинската вода и длабинската вода. Употребата на фази се претпочита повеќе кај конвенционалниот обоен маркер, бидејќи тие значително помалку се апсорбираат кога поминуваат низ длабинските води и лесно се откриваат на многу ниски концентрации.

Бактериофази и ферментација на храна

Голем број хранливи производи, хемикалии на артикли и биотехнолошки производи се произведуваат индустриски со голема бактериска ферментација на разни органски супстрати. Бидејќи огромни количества бактерии секој ден се култивираат во големи ферментациони буриња, ризикот дека бактериофагното загадување брзо ги доведува ферментациите до застој и предизвикува економски неуспеси е сериозна закана во овие индустрии. Врската помеѓу бактериофазите и нивните бактериски домаќини е многу важна во однос на индустријата за ферментација на храна. Изворите на загадување на фазите, мерките за контрола на нивното размножување и ширење и стратегиите за биотехнолошка одбрана развиени за да ги спречат фазите, се од голем интерес. Индустријата за ферментација на млечни производи отворено го призна проблемот со фазите и работи со академии и компании кои ги произведуваат тие култури за да се развијат одбранбени стратегии и системи за намалување на размножувањето и еволуцијата на фазите со децении. Постојат и бактерии што можат да ја менуваат бојата на металот.

Други области на употреба

Во август 2006 г. Управата за храна и лекови на Соединетите држави (УХЛ) ја одобрила употребата на бактериофази на сирење за да се уништи бактеријата Listeria monocytogenes, давајќи им статус на ОПКС (Општо прифатено како безбедно). Во јули 2007 г. истите бактериофази биле одобрени да се употребуваат на сите хранливи производи. Владините агенции на Запад неколку години барале помош од Грузија и бившиот Советски Сојуз за употреба на бактериофазите против биооружјето и токсините, на пр.: Антракс, Ботулизам. Ова има голем развој меѓу истражувачките групи во САД. Другите употреби вклучуваат употреба на спреј во хортикултурата за заштита на растенијата и зеленчукот, при што предизвикува распаѓање и ширење бактериска болест. Други употреби на бактериофазите се како биоцид за површини во средината, на пр: во болници како заштитен третман за катетари и медицински инструменти пред да се употребат во клинички услови. Сега постои и технологија фазите да се употребуваат на суви површини, на пр: униформи, завеси, па дури и конци за операција. Клиничките испитувања направени во Лансет покажуваат успех во ветеринарните третмани на кучиња со отитис. Изложување фаг е различна употреба на фазите. Тоа е моќна, но сепак едноставна техника која вклучува колекција фази со променллив пептид поврзан со површинска белковина. Секој геном на фаг ја кодира и варијантата на белковината изложен на нејзината површина (оттука доаѓа името), што овозможува врска помеѓу варијантата на пептидот и неговиот кодиран ген. Различните фази од колекцијата може да се селектираат според нивната способност за врзување со имобилизирана молекула (на пр: токсинот Ботулизам) за да ја неутрализира. Селектираните фази според врската може да се зголемат со повторно инфицирање на подложната бактериска врвка, притоа дозволувајќи им да ги обноват пептидите кодирани во нив за понатамошно испитување.

Модели на бактериофази

Следи список на бактериофази кои се подробно проучувани:

• λ фаг - Lysogen
• T2 фаг
• T4 фаг (169 to 170 kbp, 200 nm)
• T7 фаг
• T12 фаг
• R17 фаг
• M13 фаг
• MS2 фаг (23-25 nm)
• G4 фаг
• P1 фаг
• P2 фаг
• P4 фаг
• Phi X 174 фаг
• N4 фаг
• Φ6 фаг
• Φ29 фаг
• 186 фаг

Поврзано

• Бактеривор
• Красафаг
• КРИСПР
• ДНК вируси
• Екологија на фазите
• Монографи за фазите (сеопфатен список на монографии поврзани со фагот и фагот, 1921-денес)
• Фагемид
• Полифаг
• РНК вируси
• Трансдукција
• Вириом
• Вирофаг, вируси кои заразуваат други вируси
• Научни состаноци за фази

Надворешни врски

Викицитат има збирка цитати поврзани со:

Бактериофаг

• Phage.org - општи инфомации за бактероифазите (англиски)
• Референтен центар за бактериски вируси „Феликс Дерел“ (англиски)
• Häusler T (2006). Viruses vs. superbugs : a solution to the antibiotics crisis?. London: Macmillan. ISBN 978-1-4039-8764-8.
• Abedon ST. „The Bacteriophage Ecology Group“. The Ohio State University. Архивирано од изворникот на 3 June 2013.
• Tourterel C, Blouin Y. „Bacteriophages illustrations and genomics“. Orsay phage web site. Архивирано од изворникот на 2013-10-29. Посетено на 2022-06-30.
• „QuipStories: Bacteriophages get a foothold on their prey“ (PDF). PDBe.
• Flatow I (April 2008). „Using 'Phage' Viruses to Help Fight Infection“. Science Friday podcast. NPR. Архивирано од изворникот на 17 April 2008.
• „Animation of a scientifically correct T4 bacteriophage targeting E. coli bacteria“. YouTube.
• „T4 Bacteriophage targeting E. coli bacteria“. Animation by Hybrid Animation Medical. 21 December 2009.
• Bacteriophages: What are they. Presentation by Professor Graham Hatfull, University of Pittsburgh на YouTube