bakteriofagi (fagi) są wirusami wewnątrzkomórkowymi, które specyficznie infekują bakterie. Zostały one odkryte niezależnie przez dwóch badaczy, Fredericka Williama Twort1 na Uniwersytecie Londyńskim w 1915 roku i Félixa D ' Herelle2, który potwierdził to odkrycie i ukuł termin bakteriofag w 1917 roku i od tego czasu były dużo badane.
struktura bakteriofagów
fagi mają bardzo prostą strukturę (Rys. 1). Ich materiał genetyczny jest zawarty w głowie w kształcie pryzmatu, otoczonej kapsydem białkowym., Jest to połączone z wydłużoną pochwą (czasami nazywaną ogonem) przez obszar szyi lub kołnierza.
osłonka tworzy wydrążoną rurkę, przez którą wirusowe DNA / RNA jest wstrzykiwane do komórki gospodarza i otoczone białkami osłonki ochronnej. W dolnej części pochwy znajduje się płyta podstawy, do której przymocowane są włókna ogonowe (zwykle sześć) ułatwiające przywiązanie do komórki gospodarza.
Rysunek 1. Przykładowa struktura bakteriofagu.
Aby się rozmnażać, Fage musi najpierw wejść do komórki gospodarza., Wiązają się one ze specyficznymi receptorami na powierzchni komórki bakteryjnej za pomocą włókien ogonowych (adsorpcja) i tworzą otwór, proces, który wraz z przyłączeniem jest koordynowany przez płytę podstawową3. Sztywna rura jest wypędzana z pochwy, przebijając dziurę w błonie komórkowej bakterii, przez którą wstrzykują swój materiał genetyczny (DNA lub RNA, dwu-lub jednoniciowy). Mogą następnie przejąć maszynerię komórkową komórki gospodarza do własnej replikacji, jeśli otaczające warunki są niekorzystne w procesie zwanym cyklem litycznym., Alternatywnie mogą wejść w stan uśpienia, znany jako cykl lizogeniczny, w komórce gospodarza, jeśli warunki są korzystne.
cykl lityczny
w cyklu litycznym (ryc. 2), czasami określanym jako zakażenie wirulentne, infekujący FAG ostatecznie zabija komórkę gospodarza, aby wytworzyć wiele własnych potomstwa. Natychmiast po wstrzyknięciu do komórki gospodarza, Genom fagowy syntetyzuje wczesne białka, które rozkładają DNA gospodarza, umożliwiając fagowi przejęcie kontroli nad maszynerią komórkową., Następnie Fage wykorzystuje komórkę gospodarza do syntezy pozostałych białek potrzebnych do budowy nowych cząstek fagowych. Głowy i osłony są montowane oddzielnie, nowy materiał genetyczny pakowany do głowy i nowe cząsteczki fagowe córki zbudowane. Podczas tego procesu komórki gospodarza stopniowo ulegają osłabieniu przez enzymy fagowe i ostatecznie pękają, uwalniając średnio 100-200 nowych Potomków fagowych do otaczającego środowiska.
Rysunek 2. Opis etapów cyklu litycznego bakteriofagów.
Obejrzyj cykl litycki w akcji tutaj.,
cykl Lizogeniczny
cykl lizogeniczny (ryc. 3), czasami określany jako zakażenie umiarkowane lub nie zjadliwe, nie zabija komórki gospodarza, zamiast tego wykorzystuje ją jako schronienie, gdy istnieje w stanie uśpienia. Po wstrzyknięciu DNA fagowego do komórki gospodarza, integruje się on z genomem gospodarza, za pomocą kodowanych fagami integraz, gdzie jest następnie określany jako Prorok., Genom prophage jest następnie replikowany pasywnie wraz z genomem gospodarza, ponieważ komórka gospodarza dzieli się tak długo, jak pozostaje tam i nie tworzy białek potrzebnych do produkcji potomstwa. Ponieważ Genom fagowy jest na ogół stosunkowo mały, gospodarze bakteryjne są zwykle stosunkowo nienaruszone przez ten proces.
Rysunek 3. Opis etapów cyklu lizogenicznego bakteriofagów.,
przejście z lizogenicznej do litycznej
jeśli bakteria zawierająca prophage jest narażona na działanie stresorów, takich jak światło UV, warunki o niskiej zawartości składników odżywczych lub substancje chemiczne, takie jak mitomycyna C, prophage może samoistnie wyodrębnić się z genomu gospodarza i wejść w cykl lityczny w procesie zwanym indukcją.
proces ten nie jest jednak doskonały i czasami mogą pozostawić po sobie fragmenty swojego DNA lub zabrać ze sobą fragmenty DNA gospodarza podczas ponownego krążenia., Jeśli następnie zainfekują nową komórkę gospodarza, mogą transportować geny bakteryjne z jednego szczepu do drugiego w procesie zwanym transdukcją. Jest to jedna z metod, w których geny oporności na antybiotyki, geny kodujące toksyny i superantigeny oraz inne cechy zjadliwości mogą rozprzestrzeniać się przez populację bakterii.
ostatnie prace wykazały, że przejście między infekcją lityczną i lizogeniczną jest również zależne od obfitości fagów w danym obszarze, ponieważ są one w stanie wytwarzać i wyczuwać małe peptydy w procesie zbliżonym do quorum sensing4.,
odporność bakterii na infekcję fagową
nie wszystkie bakterie są bezradne wobec ataku fagowego, posiadają „układ odpornościowy”, który pozwala im walczyć. CRISPR-Cas, który jest obecnie synonimem modyfikacji genetycznej, został po raz pierwszy zaproponowany jako bakteryjny „adaptacyjny układ odpornościowy” przez Francisco Mojica5 i niezależnie przez grupę z Université Paris-Sud6 w 2005 roku. CRISPR locus jest tablicą krótkich powtarzających się sekwencji oddzielonych odstępkami z unikalnymi sekwencjami. Te sekwencje kosmiczne okazały się mieć homologię do wirusowego i plazmidowego DNA, w tym fagów., Po zaatakowaniu przez wcześniej nie opanowany FAG, nowe dystanse są dodawane po jednej stronie CRISPR, dzięki czemu CRISPR jest chronologicznym zapisem fagów, które napotkała komórka i jej przodkowie. W odpowiedzi na inwazję fagów, sekwencje CRISPR są transkrybowane i, we współpracy z białkami Cas, celują i niszczą sekwencje fagowe, które są homologiczne do sekwencji dystansowych.
fagi jako narzędzia biologii genetycznej i molekularnej
fagi Lambda, pierwotnie wyizolowane z Escherichia coli, są jednym z najlepiej zbadanych fagów i stanowią podstawę wielu narzędzi genetycznych., Mówi się nawet, że stosowanie fagów jako narzędzi ostatecznie doprowadziło do rozwoju biologii molekularnej jako dyscypliny7. W latach 50. zdolność fagów do rekombinacji z DNA gospodarza została po raz pierwszy wykorzystana do manipulowania genomami gatunków salmonelli i tak narodził się proces transdukcji8. Od tego czasu jest używany jako nośnik do przenoszenia materiału genetycznego między wieloma organizmami, w tym manipulacjami genami grzybicy9, a nawet ludzkimi genami. To dzięki skromnemu fagowi insulina ludzka była najpierw bezpiecznie i tanio produkowana., Otworzyło również zastosowanie w wysokowydajnych badaniach przesiewowych klonów, rozwoju nanomateriałów10, leczeniu przeciwbakteryjnym artykułów spożywczych, jako narzędzia diagnostycznego oraz w systemach wykrywania i dostarczania leków11.
Phage ϕX174 stał się nieświadomym pionierem w 1977 roku, kiedy to był pierwszym organizmem, którego cała sekwencja nukleotydów została określona dzięki Fredowi Sangerowi i kolegom12.
terapia Fagowa
przed odkryciem antybiotyków przez Alexandra Fleminga w 1928 roku, fagi były badane jako metoda leczenia zakażeń bakteryjnych., W epoce po antybiotykoterapii wygodna aktywność antybiotykoterapii o szerokim spektrum działania powodowała, że w większości badań nad terapią fagową zaniechano. Jednak w wielu krajach byłego ZSRR, gdzie brakowało zachodnich antybiotyków, badania nad terapiami fagowymi kontynuowano z konieczności. Wraz z rosnącymi ogólnoświatowymi problemami oporności na antybiotyki, w ostatnich latach nastąpił odrodzenie w dziedzinie terapii fagowej., Podczas gdy fagi są w stanie zakażać i niszczyć bakterie i zostały z powodzeniem wykorzystane w leczeniu zagrażającej życiu infekcji13, ich specyficzność gatunkowa, a nawet szczep oraz potencjał istniejącej wcześniej odporności niektórych bakterii oznaczają, że ukierunkowanie leczenia fagami nie jest obecnie trywialnym procesem i musi być dostosowane do indywidualnej infekcji. To sprawia, że jest kosztowny i długi. W związku z tym jest to obecnie ostateczność i nadal jest wiele pracy wymaganej w tej dziedzinie.,
drzewo genealogiczne fagów
wraz z rosnącą dostępnością i przystępnością cenową sekwencjonowania nukleotydów, w ciągu ostatnich dwóch dekad doszło do eksplozji liczby genomów fagów przekazanych do baz danych 14 .
fagi są klasyfikowane przez International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV), według aktualizacji z 2017 r.istnieje 19 rodzin fagów, które infekują bakterie i archeony (Tabela 1), ale ponieważ więcej próbek z bardziej odległych obszarów jest sekwencjonowanych, prawdopodobnie będzie to rosnąć w przyszłości.,
dla użytkowników mobilnych przewiń w lewo i w prawo, aby wyświetlić dane tabeli poniżej.,
Table 1., ICTV klasyfikacja taksonomiczna bakteriofagów zarażających bakterie i archeea.