bakteriofag (fag) er obligatoriske intracellulære vira, der specifikt inficerer bakterier. De blev opdaget uafhængigt af to forskere, Frederick William Twort1 ved University of London i 1915, og Félix d’Herelle2 der bekræftede at finde og opfandt udtrykket bakteriofag i 1917 og har været meget undersøgt siden.
Bakteriofagstruktur
fag har en meget enkel struktur (Figur 1). Deres genetiske materiale er indeholdt i et prismeformet hoved, omgivet af et proteinkapsid., Dette er forbundet med den aflange kappe (undertiden kaldet halen) af en nakke eller krave region.
skeden danner et hult rør, gennem hvilket det virale DNA / RNA injiceres i værtscellen og er omgivet af beskyttende kappeproteiner. I bunden af kappen er bundpladen, hvortil halefibrene (normalt seks), der letter fastgørelsen til værtscellen, er fastgjort.
Figur 1. Eksempel struktur af en bakteriofag.
for at reproducere skal fag først komme ind i værtscellen., De binder til specifikke receptorer på bakteriecelleoverfladen med deres halefibre (adsorption) og skaber et hul, en proces, der sammen med fastgørelsen koordineres af basispladen3. Et stift rør drives ud af kappen og punkterer et hul i bakteriecellemembranen, gennem hvilken de injicerer deres genetiske materiale (DNA eller RNA, dobbelt eller enkeltstrenget). De kan derefter kapre værtscellens cellulære maskiner til deres egen replikation, hvis omgivende forhold er ugunstige i en proces kaldet den lytiske cyklus., Alternativt kan de komme ind i en sovende tilstand, kendt som den lysogene cyklus, inden for værtscellen, hvis forholdene er gunstige.
lytisk cyklus
i den lytiske cyklus (figur 2), undertiden benævnt virulent infektion, dræber den inficerende fag i sidste ende værtscellen for at producere mange af deres eget afkom. Umiddelbart efter injektion i værtscellen syntetiserer faggenomet tidlige proteiner, der nedbryder værts-DNA’ et, hvilket gør det muligt for fag at tage kontrol over det cellulære maskiner., Fagen bruger derefter værtscellen til at syntetisere de resterende proteiner, der kræves for at opbygge nye fagpartikler. Hovederne og skederne samles separat, det nye genetiske materiale pakket ind i hovedet og nye datterfagpartikler konstrueret. Under denne proces bliver værtscellerne gradvist svækket af Fagen .ymer og til sidst brister og frigiver i gennemsnit 100-200 nye fagafkom i det omgivende miljø.
figur 2. Afbildning af stadierne i den bakteriofaglytiske cyklus.
Se den lytiske cyklus i aktion her.,
lysogen cyklus
den lysogene cyklus (figur 3), undertiden benævnt tempereret eller ikke-virulent infektion, dræber ikke værtscellen, i stedet bruger den som et tilflugtssted, hvor den findes i en sovende tilstand. Efter injektionen af fag-DNA ‘ et i værtscellen integrerer det sig selv i værtsgenomet ved hjælp af fagkodede integraser, hvor det derefter betegnes som en profage., Profagegenomet replikeres derefter passivt sammen med værtsgenomet, når værtscellen deler sig, så længe den forbliver der og ikke danner de proteiner, der kræves for at producere afkom. Da faggenomet generelt er relativt lille, er bakterieværterne normalt relativt uskadte af denne proces.
figur 3. Afbildning af stadierne af bakteriofaglysogen cyklus.,
Overgangen fra lysogenic at lytiske
Hvis en bakterie, der indeholder prophage er udsat for stressfaktorer, såsom UV-lys, lave kvælstofforhold, eller kemikalier, som mitomycin C, prophage spontant kan udtrække sig fra værtens genom, og indtast den lytiske cyklus i en proces, der kaldes induktion.
denne proces er imidlertid ikke perfekt, og profage kan undertiden efterlade dele af deres DNA eller tage dele af værts-DNA med sig, når de cirkulariserer igen., Hvis de derefter inficerer en ny værtscelle, kan de transportere bakteriegener fra en stamme til en anden i en proces kaldet transduktion. Dette er en metode, som antibiotikaresistens gener, toksin og superantigen-kodning gener og andre virulens træk kan spredes gennem en bakteriel befolkning.
nyere arbejde har vist, at overgangen mellem lytisk og lysogen infektion også er afhængig af fagets overflod i et område, da de er i stand til at producere og fornemme små peptider i en proces, der ligner kvorumsensing4.,
bakteriel immunitet mod faginfektion
ikke alle bakterier er hjælpeløse mod fagangreb, der har et “immunsystem”, der giver dem mulighed for at kæmpe tilbage. CRISPR-Cas, som nu er synonymt med genetisk modifikation, blev først foreslået som en bakteriel “adaptive immunsystem” af Francisco Mojica5 og uafhængigt af en gruppe fra Université Paris-Sud6 i 2005. CRISPR locus er et array af korte gentagne sekvenser adskilt af afstandsstykker med unikke sekvenser. Disse afstandssekvenser viste sig at have homologi til viralt og plasmid DNA, inklusive fag., Når angrebet af en tidligere unencountered fag, nye afstandsstykker er tilføjet på den ene side af CRISPR, hvilket gør CRISPR en kronologisk registrering af fag cellen og dens forfædre har haft. Som reaktion på faginvasion transkriberes CRISPR-sekvenserne og målretter og ødelægger fagsekvenserne, der er homologe med afstandssekvenserne, i samarbejde med Cas-proteiner.
fag som genetiske og molekylærbiologiske værktøjer
Lambda-Fagen, oprindeligt isoleret fra Escherichia coli, er en af de bedst studerede fag og dannede grundlaget for mange genetiske værktøjer., Det er endda blevet sagt, at brugen af fag som værktøjer i sidste ende førte til udviklingen af molekylærbiologi som disciplin7. I 1950 ‘ erne blev fagets evne til at rekombinere med værts-DNA først udnyttet til at manipulere genomerne af Salmonella-arter, og derfor blev transduktionsprocessen født8. Siden da er det blevet brugt som et køretøj til at flytte genetisk materiale mellem mange organismer, herunder svampegenmanipulationer9 og endda humane gener. Det var takket være den ydmyge fag, at humant insulin først blev produceret sikkert og billigt., Det har også åbnet applikationer i high throughput screening af kloner, nanomaterialeudvikling10, antibakteriel behandling af fødevarer, som et diagnostisk værktøj og lægemiddelopdagelses-og leveringssystemer11.
fag ϕ17174 blev en uvidende pioner i 1977, da det var den første organisme, der fik hele sin nukleotidsekvens bestemt takket være Fred Sanger og colleagues12.
fagterapi
Før ale .ander Flemings opdagelse af antibiotika i 1928 blev fag undersøgt som en metode til behandling af bakterielle infektioner., I den post-antibiotiske æra betød den praktiske bredspektrede aktivitet af antibiotikabehandling, at i de fleste organisations forskning i fagterapi blev opgivet. Men i mange af de tidligere sovjetiske nationer, hvor der var mangel på vestlige antibiotika, fortsatte forskning i fagterapier gennem nødvendighed. Med de stigende globale problemer med antibiotikaresistens har der været en genopblussen i fagterapiområdet i de senere år., Samtidig fag er i stand til at inficere og ødelægge bakterier og har været med held bruges til at behandle livstruende infection13, deres arter, og selv stamme, specificitet og potentiale for præ-eksisterende immunitet af nogle bakterier betyder, rettet mod et fag behandling er i øjeblikket ikke en triviel proces og skal være skræddersyet til den enkelte infektion. Dette gør det dyrt og langvarigt. Derfor er det i øjeblikket en sidste udvej, og der kræves stadig meget arbejde på dette område.,
fag-slægtstræet
med den stigende tilgængelighed og overkommelighed af nukleotidsekvensering har der været en eksplosion i antallet af faggenomer, der er sendt til databaser i de sidste to årtier14 .
fag klassificeres af den internationale komit.for taksonomi af vira (ICTV), fra deres 2017-opdatering er der 19 fagfamilier, der inficerer bakterier og archaea (tabel 1), Men da flere prøver fra mere fjerntliggende områder sekventeres, vil dette kun sandsynligvis vokse i fremtiden.,for mobile brugere skal du rulle til venstre og højre for at se tabeldataene nedenfor.,
Table 1., ICTV taksonomisk klassifikation af bakteriofag inficerer bakterier og arkæa.