I batteriofagi (fago) sono virus intracellulari obbligati che infettano specificamente i batteri. Furono scoperti indipendentemente da due ricercatori, Frederick William Twort1 all’Università di Londra nel 1915, e Félix d’Herelle2 che confermò la scoperta e coniò il termine batteriofago nel 1917 e da allora sono stati molto studiati.
Struttura dei batteriofagi
I fagi hanno una struttura molto semplice (Figura 1). Il loro materiale genetico è contenuto in una testa a forma di prisma, circondata da un capside proteico., Questo è collegato alla guaina allungata (a volte chiamata coda) da una regione del collo o del colletto.
La guaina forma un tubo cavo attraverso il quale il DNA / RNA virale viene iniettato nella cellula ospite ed è circondato da proteine della guaina protettiva. Nella parte inferiore della guaina è la piastra di base a cui sono attaccate le fibre di coda (normalmente sei) che facilitano l’attaccamento alla cellula ospite.
Figura 1. Esempio struttura di un batteriofago.
Per riprodursi, il fago deve prima entrare nella cellula ospite., Si legano a specifici recettori sulla superficie cellulare batterica con le loro fibre di coda (adsorbimento) e creano un foro, un processo che, insieme all’attaccamento, è coordinato dalla piastra di base3. Un tubo rigido viene spinto fuori dalla guaina, perforando un foro nella membrana cellulare batterica attraverso il quale iniettano il loro materiale genetico (DNA o RNA, doppio o singolo filamento). Possono quindi dirottare il macchinario cellulare della cellula ospite per la propria replica se le condizioni circostanti sono sfavorevoli in un processo chiamato ciclo litico., In alternativa, possono entrare in uno stato dormiente, noto come ciclo lisogenico, all’interno della cellula ospite se le condizioni sono favorevoli.
Ciclo litico
Nel ciclo litico (Figura 2), a volte indicato come infezione virulenta, il fago infettante alla fine uccide la cellula ospite per produrre molti dei loro progenie. Immediatamente dopo l’iniezione nella cellula ospite, il genoma del fago sintetizza le proteine iniziali che scompongono il DNA ospite, permettendo al fago di prendere il controllo del macchinario cellulare., Il fago utilizza quindi la cellula ospite per sintetizzare le proteine rimanenti necessarie per costruire nuove particelle di fago. Le teste e le guaine sono assemblate separatamente, il nuovo materiale genetico confezionato nella testa e nuove particelle di fago figlia costruite. Durante questo processo, le cellule ospiti si indeboliscono gradualmente dagli enzimi dei fagi e alla fine scoppiano, rilasciando in media 100-200 nuovi fagi nell’ambiente circostante.
Figura 2. Rappresentazione delle fasi del ciclo litico batteriofago.
Guarda il ciclo litico in azione qui.,
Ciclo lisogenico
Il ciclo lisogenico (Figura 3), a volte indicato come infezione temperata o non virulenta, non uccide la cellula ospite, utilizzandola invece come rifugio dove esiste in uno stato dormiente. Dopo l’iniezione del DNA del fago nella cellula ospite, si integra nel genoma ospite, con l’aiuto delle integrasi fago-codificate, in cui poi è definito un prophage., Il genoma di prophage poi è replicato passivamente con il genoma ospite mentre la cellula ospite divide per finchè rimane là e non forma le proteine richieste per produrre la progenie. Poiché il genoma del fago è generalmente relativamente piccolo, gli ospiti batterici sono normalmente relativamente illesi da questo processo.
Figura 3. Rappresentazione delle fasi del ciclo lisogenico dei batteriofagi.,
Passaggio da lisogenico a litico
Se un batterio contenente prophage è esposto a fattori di stress, come la luce UV, condizioni di bassi nutrienti o sostanze chimiche come la mitomicina C, prophage può estrarsi spontaneamente dal genoma ospite ed entrare nel ciclo litico in un processo chiamato induzione.
Questo processo, tuttavia, non è perfetto e prophage può talvolta lasciare porzioni del loro DNA dietro o prendere porzioni di DNA ospite con loro quando ri-circolarizzare., Se poi infettano una nuova cellula ospite, possono trasportare geni batterici da un ceppo all’altro in un processo chiamato trasduzione. Questo è un metodo con cui i geni di resistenza agli antibiotici, la tossina e i geni di codifica del superantigene e altri tratti di virulenza possono diffondersi attraverso una popolazione batterica.
Recenti lavori hanno dimostrato che la transizione tra infezione litica e lisogenica dipende anche dall’abbondanza di fagi in un’area in quanto sono in grado di produrre e percepire piccoli peptidi in un processo simile al quorum sensing4.,
Immunità batterica all’infezione da fagi
Non tutti i batteri sono indifesi contro l’attacco dei fagi, possedendo un “sistema immunitario” che consente loro di reagire. CRISPR-Cas, che ora è sinonimo di modificazione genetica, è stato proposto per la prima volta come “sistema immunitario adattivo” batterico da Francisco Mojica5 e indipendentemente da un gruppo dell’Université Paris-Sud6 nel 2005. Il CRISPR locus è una serie di brevi sequenze ripetute separate da distanziatori con sequenze uniche. Queste sequenze del distanziatore sono state trovate per avere omologia al DNA virale e plasmidico, compreso il fago., Una volta attaccato da un fago precedentemente unencountered, i nuovi distanziatori sono aggiunti ad un lato del CRISPR, rendente al CRISPR una registrazione cronologica del fago che la cellula ed i suoi antenati hanno incontrato. In risposta all’invasione dei fagi, le sequenze CRISPR vengono trascritte e, in collaborazione con le proteine Cas, bersagliano e distruggono le sequenze di fagi omologhe alle sequenze di distanziatori.
Fago come strumenti di biologia genetica e molecolare
Il fago Lambda, originariamente isolato da Escherichia coli, è uno dei fagi meglio studiati e ha costituito la base di molti strumenti genetici., Si è persino detto che l’uso del fago come strumento ha portato allo sviluppo della biologia molecolare come disciplina7. Nel 1950, la capacità del fago di ricombinare con il DNA ospite è stata sfruttata per manipolare i genomi delle specie di salmonella e così è nato il processo di trasduzione8. Da allora, è stato utilizzato come veicolo per spostare materiale genetico tra molti organismi, tra cui la manipolazione dei geni fungini9 e persino i geni umani. Fu grazie all’umile fago che l’insulina umana fu prodotta per la prima volta in modo sicuro ed economico., Ha anche aperto applicazioni in screening ad alta produttività di cloni, sviluppo di nanomateriali10, trattamento antibatterico per prodotti alimentari, come strumento diagnostico e sistemi di scoperta e consegna di farmaci11.
Il fago ϕx174 divenne un pioniere inconsapevole nel 1977 quando fu il primo organismo ad avere tutta la sua sequenza nucleotidica determinata grazie a Fred Sanger e colleghi12.
Terapia dei fagi
Prima della scoperta degli antibiotici da parte di Alexander Fleming nel 1928, i fagi venivano esplorati come metodo per il trattamento delle infezioni batteriche., Nell’era post-antibiotica, la comoda attività ad ampio spettro del trattamento antibiotico ha fatto sì che nella maggior parte delle ricerche dell’organizzazione sulla terapia dei fagi fosse abbandonata. Tuttavia, in molte delle nazioni ex sovietiche dove c’era una mancanza di antibiotici occidentali, la ricerca sulle terapie dei fagi continuò per necessità. Con i crescenti problemi globali di resistenza agli antibiotici, c’è stata una rinascita nel campo della terapia dei fagi negli ultimi anni., Mentre i fagi sono in grado di infettare e distruggere i batteri e sono stati usati con successo per trattare infezioni pericolose per la vita13, la loro specie e persino la specificità del ceppo e il potenziale di immunità preesistente di alcuni batteri significano che il trattamento mirato di un fago non è attualmente un processo banale e deve essere adattato all’infezione individuale. Questo lo rende costoso e lungo. Di conseguenza, è attualmente un’ultima risorsa e c’è ancora molto lavoro richiesto in questo campo.,
L’albero genealogico dei fagi
Con la crescente disponibilità e convenienza del sequenziamento dei nucleotidi, negli ultimi due decenni14 si è verificata un’esplosione nel numero di genomi di fagi presentati ai database .
I fagi sono classificati dall’International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV), al loro aggiornamento 2017, ci sono 19 famiglie di fagi che infettano batteri e archaea (Tabella 1), ma poiché più campioni provenienti da aree più remote sono sequenziati, è probabile che crescano solo in futuro.,
Per gli utenti mobili, scorrere a sinistra ea destra per visualizzare i dati della tabella qui sotto.,
Table 1., ICTV classificazione tassonomica dei batteriofagi che infettano batteri e archaea.