Bakteriofāgi — kas tie ir: uzbūve, dzīves cikls un medicīniskā nozīme

Bakteriofāgi — uzzini par to uzbūvi, dzīves ciklu un medicīnisko nozīmi; fāgi kā alternatīva antibiotikām un iespējamā terapija pret rezistentām baktērijām.

Bakteriofāgs ir vīruss, kas inficē baktērijas. Parasti šo terminu saīsina līdz fāgam. Fāgi parasti ir ļoti specifiski attiecībā uz savu saimniekbaktēriju — viens fāgs var inficēt tikai noteiktu baktēriju sugu vai pat konkrētu cilti.

Daudzveidība un izplatība

Bakteriofāgi ir vienas no visizplatītākajām un daudzveidīgākajām biosfēras vienībām. Līdzīgi kā vīrusiem, kas inficē eikariontus (augus, dzīvniekus un sēnes), fāgu struktūra un funkcijas ir ļoti dažādas — no vienkāršām kapsīdu formām līdz sarežģītiem astoņkājiem formas fāgiem ar asti un šķiedrām.

Fāgi sastopami visur, kur ir baktērijas: augsnē, dzīvnieku zarnās, saldūdeņu un jūras ūdenī: virszemes mikrobu paklājos konstatēti līdz 9 × 10^8 virioniem mililitrā, un līdz pat 70 % jūras baktēriju var būt inficētas ar fāgiem. Šī milzīgā daudzveidība padara fāgus nozīmīgus gan ekoloģiski, gan biotehnoloģiski.

Uzbūve un genomu īpašības

Parasti fāgi sastāv no ārējā olbaltumvielu apvalka, kurā ir ģenētiskais materiāls. Apvalks (kapsīds) var būt kopā ar asti un astes šķiedrām, kas nodrošina saķeri ar baktērijas virsmu. Ģenētiskais materiāls var būt vienšķiedru (ssRNS vai ssDNS) vai divšķiedru (dsRNS vai dsDNS), un tā garums parasti svārstās no 5 līdz 500 kilobāzu pāru ar apļveida vai lineāru izkārtojumu. Bakteriofāgu izmērs parasti ir no 20 līdz 200 nanometriem.

Fāgu genomos var saturēt gan tikai dažus — piemēram, tikai četrus — gēnus, gan arī simtiem gēnu. Pēc piesaistes baktērijai fāgs injicē savu genomu baktērijas iekšienē, kur tas replicējas, tiktāl kā to nosaka fāga dzīves cikls.

Dzīves cikls un mijiedarbība ar saimnieku

• Piesaiste (adsorbcija): fāga astes šķiedras vai citas virsmas struktūras saistās ar specifisku receptoru uz baktērijas virsmas.
• Genoma ievadīšana: pēc piesaistes fāgs injicē savu DNS vai RNS bakterijā.
• Replicēšanās un izteiksme: fāga genomā esošie gēni vada fāga komponentu ražošanu vai integrējas saimnieka hromosomā.
• Montāža (assemblēšana): jaunie virioni tiek samontēti no kapsīda proteīniem un genomiem.
• Izdalīšanās: lītiskie fāgi izraisa saimniekšūnas līzi (saplaisāšanu), atbrīvojot jaunus virionus; temperātie (integrējošie) fāgi var ieiet lizogēnā stadijā kā profāgi, kas var palikt miera stāvoklī un tikt nodoti nākamajām baktēriju paaudzēm.

Šīs divas galvenās stratēģijas — lītiskais cikls (ātra replikācija un šūnas iznīcināšana) un lizogēnā integrācija (profāga stāvoklis) — būtiski ietekmē bakteriālo populāciju dinamiku un gēnu pārnesi. Fāgi var veicināt arī horizontālo gēnu pārnesi (transdukciju), tādejādi izplatot rezistences vai vīrulences gēnus starp baktērijām.

Ekoloģiskā loma

Fāgi regulē baktēriju populācijas, ietekmē mikrobu kopienu sastāvu un veicina organisko vielu apriti ekosistēmās. Jūras vides fāgi, piemēram, ir nozīmīgi oglekļa un citu barības vielu ciklā, jo baktēriju lizēšana atbrīvo organiskās vielas ūdens kolonnā.

Medicīniskā un biotehnoloģiskā nozīme

Jau vairāk nekā 90 gadus fāgi tiek izmantoti kā alternatīva antibiotikām dažās pasaules daļās — īpaši Bijušajā Padomju Savienībā, Centrāleiropā un Francijā. Fāgu terapija ir solīga iespēja ārstēt infekcijas, ko izraisa pret antibiotikām rezistenti celmi. Galvenās priekšrocības:

• Augsta specifiskums pret mērķbaktērijām, saglabājot citas mikrofloras daļas.
• Spēja replikēties mērķbaktērijās, potenciāli pastiprinot efektu tur, kur ir augsts baktēriju skaits.
• Iespējas kombinēt fāgus ar antibiotikām vai izmantot fāgu kokteiļus, lai samazinātu rezistences attīstību.

Tajās pašās rindās jānorāda ierobežojumi un sarežģījumi: fāgi var sarežģīt biofilmu veidošanos pneimonijas un cistiskās fibrozes gadījumā — dažos scenārijos fāgu darbība var aizsargāt baktērijas no ārstēšanas un paildzināt infekciju. Turklāt:

• Specifiskums nozīmē, ka var būt nepieciešams precīzi identificēt baktēriju un piemeklēt piemērotu fāgu vai fāgu kokteili.
• Pastāv risks, ka baktērijas attīstīs rezistenci pret fāgiem; to samazina fāgu kokteiļu un kombinēto terapiju lietošana.
• Fāgu terapija var izraisīt endotoksīnu (piem., Gram-negatīvo baktēriju līzes) atbrīvošanos, kas jāņem vērā klīniskajā uzraudzībā.

Starptautiskā un reģionālā regulācija, ražošana un klīniskās pārbaudes joprojām attīstās. Mūsdienās notiek daudzi klīniskie pētījumi un pilotprojekti, kas pārbauda fāgu drošību, efektivitāti un piegādes veidus (lokāli, inhalācijas, intravenozi vai orāli).

Pielietojumi rūpniecībā, pārtikas drošībā un pētniecībā

• Pārtikas rūpniecībā fāgus izmanto kā biokontrolieri, lai mazinātu patogēnu, piemēram, Salmonella vai Listeria, klātbūtni uz pārtikas produktiem.
• Lauksaimniecībā un akvakultūrā fāgi var samazināt baktēriju slimību izplatību bez plašas antibiotiku lietošanas.
• Pētniecībā fāgi ir svarīgs rīks — piemēram, phage display tehnoloģijas, kas izmanto fāgus, lai atrastu proteīnu mijiedarbības partnerus, vai kā instrumenti molekulārbioloģijas manipulācijām.

Rezistence, drošība un nākotnes perspektīvas

Bakterijas var attīstīt mehānismus, lai pretotos fāgiem (piem., receptoru mutācijas, CRISPR-Cas sistēmas), taču arī fāgi evolūcijas gaitā var pielāgoties. Mūsdienu pieeja fāgu terapijā ietver:

• fāgu kokteiļus, kas aptver vairākus fāgus pret vienu patogēnu;
• enzīmu (piem., depolimerāžu) izmantošanu biofilmu izsprešanai;
• genētiski modificētus fāgus ar uzlabotām īpašībām (tomēr šāda inženierija prasa stingru drošības izvērtējumu un regulāciju).

Metodes fāgu pētīšanā

Lai pētītu un diagnosticētu fāgus, bieži izmanto:

• plāksnīšu (plaque) assay, lai kvantificētu infekciozos virionus;
• elektronu mikroskopiju, kas ļāva pirmo reizi vizualizēt fāgus (Helmuts Ruska 1939. gadā) un noteikt to morfoloģiju;
• metagenomiku un sekvencēšanu, lai atklātu fāgu daudzveidību bez nepieciešamības kultivēt saimniekbaktērijas;
• bioinformatiku, lai analizētu fāgu genōmus un paredzētu gēnu funkcijas.

Fāgi ir spēcīgs resurss medicīnai, ekoloģijai un biotehnoloģijai, taču to plaša ieviešana prasa rūpīgu drošības, regulēšanas un ražošanas problēmu risināšanu. Kopumā baktēriju un fāgu mijiedarbību izpratne paplašina mūsu iespējas cīnīties ar antibiotiku rezistenci un izmantot mikrobu dinamiku ilgtspējīgā veidā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir bakteriofāgs?

J: Kā izskatās fāga virspuse?

J: Kāds ir bakteriofāgu izmēru diapazons?

J: Cik daudz gēnu var būt kodēti fāgu genomā?

J: Kā fāgi replicējas baktērijās?

J: Kur mēs varam atrast fāgus?

J: Kad pirmo reizi tika atklāts, no kā sastāv šie vīrusi?

Meklēt pēc burta