Bakteriofag

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Struktura tipskog miovirusnog bakteriofaga

Bakteriofag − neformalno fag − je virus koji inficira bakterije i u njima se umnožava. Termin potiče od koerijena "bakterija" i sufiksa fag (grčki φαγεῖν - phagein = jesti, progutati). Bakteriofagi se sastoje od protein a koji kapsuliraju DNK ili RNK genoma, a mogu imati relativno jednostavne ili složene strukture. Njihov genoma može sadržavati kod za od četiri do na stotine gena.[1][2]

Fag se umnožava replicirati unutar bakterija nakon injektiranja njihovog genoma u citoplazmu domaćina. Bakteriofagi su među najčešćim i najraznolikijim subjekatima u biosferi.[3] Fagi su široko rasprostranjene na mjestima koja su naseljena bakterijama i domaćinima, kao što su zemljište ili crijeva životinja. Jedan od najgušćih prirodnih izvora faga i drugih virusa je morska voda, u kojoj ima do 9 × 108 viriona po mililitru, što je pronađeno u mikrobnoj prevlaci na površini,[4] a do 70% morskih bakterija može biti inficirano fagima.[5]

Tokom proteklih više od 90 godina, bakteriofagi korišteni su za kao alternativa antibioticima u bivšem Sovjetskom Savezu i centralnoj Evropi, kao iu Francuskoj.[6] Oni se vide kao moguća terapija protiv multirezistentnih sojeva mnogih bakterija (fagna terapija).[7] Ipak, fagi Inoviridae su pokazali da kompliciraju biofilm koji je uključeni u upalu pluća i cističnu fibrozu, sklonište bakterija od lijekova kojima je cilj da ukorijene bolest i promoviraju uporne infekciju.[8]

Bakteriofag P22, član je porodice Podoviridae, po morfologiji, zbog kratkog, nekontraktilnog repa.

Klasifikacija[uredi | uredi izvor]

Bakteriofagi javljaju se obilno u biosferi, sa različitim virionima, genomima i načinima života. Klasificiraju se po odredbama Međunarodnog komiteta za taksonomiju virusa (ICTV), prema morfologiji i nukleinskim kiselinama.

ICTV trenutno prepoznaje devetnaest porodica čiji predstavnici koje inficiraju bakterije i archaea. Od tih, samo dvije porodice imaju RNK genoma, a samo u pet porodica su obavijeni kapsulom. Od virusnih porodica s DNK genomom, samo dvije imaju jednolančani genom. Osam virusnih porodice sa DNK genomom imaju kružni genom, dok ih devet imaju linearne genome. Devet porodica inficira samo bakterije, devet samo Archaea i jedna (Tectiviridae) inficira i bakterije i arheje.

Klasifikacija prokariotskih (bakterijskih i arhejskih) virusa, prema ICTV-u[3]

Red Porodica Morfologija Nukleinska kiselina Primjeri
Caudovirales Myoviridae Bez omotača, kontraktilni rep Linearna dsDNK T4 fag, Mu, PBSX, P1Punoliki, P2, I3, Bcep 1, Bcep 43, Bcep 78
Siphoviridae Neomotani, nekontrakrilni (dugi) rep Linearna dsDNK λ fag, T5 fag, phi, C2, L5, HK97, N15
Podoviridae Neomotani, nekontraktilni (kratki) rep Linearna dsDNK T7 fag, T3 fag, Φ29, P22, P37
Ligamenvirales Lipothrixviridae Omotani, štapićasti Linearna dsDNK Acidianus filamentozni virus 1
Rudiviridae Neomotani, štapičasti Linearna dsDNK Sulfolobus islandicus štapičasti virus 1
Neoznačeni Ampullaviridae Omotani, bocoliki Linearna dsDNK
Bicaudaviridae Neomotani, limunoliki Prstenasta (cirkularna) dsDNK
Clavaviridae Neomotani, štapičasti Prstenasta dsDNK
Corticoviridae Neomotani, izometrijski Prstenasta dsDNK
Cystoviridae Omotani, sferni Segmentirana dsRNK
Fuselloviridae Neomotani, limunoliki Prstenasta dsDNK
Globuloviridae Omotani, izometrijski Linearna dsDNK
Guttaviridae Neomotani, jajasti Prstenasta dsDNK
Inoviridae Neomotani, filamentozni Prstenasta ssDNK M13 bakteriofag
Leviviridae Neomotani, izometrijski Linearna ssRNK Bakteriofag MS2,
Microviridae Neomotani, izometrijski Prstenasta ssDNK ΦX174
Plasmaviridae Omotani, pleomorfni Prstenasta dsDNK
Tectiviridae Neomotani, izometrijski Linearna dsDNK

Pregled građe i razmnožavanja[uredi | uredi izvor]

Bakteriofagi su bakterijski virusi koji u svom životnom ciklusu prodiru u bakterijske ćelije, u kojima se razmnožavaju i na kraju uzrokuju njihovo razlaganje i smrt. Otkrili su ih nezavisno F. W. Twort (1915.) i F. H. d’Herelle (1917.). Veličina faga je na skali nanometara; dužina bakteriofaga T2, koji napada bakteriju Escherichia coli, je oko 200 nm. Elektronska mikroskopija je omogućila da se uoči struktura koli-faga T2, u kojoj su:

  • glava sa DNK i bjelančevinama,
  • šuplji vrat,
  • izduženi trup,
  • osnovna (bazna) ploča i
  • repne niti.

Preko osnovne pločice i repnih niti, fag pričvršćuje se na ćelijski zid bakterije i prodire skrativši trup, na čijem se kraju nalazi srž od DNK koja je istisnuta iz glave. DNK faga ulazi u ćeliju bakterije domaćina i vrlo brzo programira sintezu svoje DNK iz materijala, i pomoći sintetskih mehanizama bakterijske ćelije, što rezultira stvaranjem mnogih novih faga i raspadanjem (lizom) napadnute ćelije. Drugim riječima DNK posjeduje samo genetičkju informaciju za sopstveno repliciranje, za koje preusmjerava kompletnu bakterijski sintersku mašineriju.

Bakteriofagi ispoljavaju strogu specifičnost prema pojedinim vrstama bakterija i ne mogu napadati druge. Ako se uništi ćelijski zid bakterije ili na neki način blokiraju receptori na koje se bakteriofag pričvršćuje, on ne može prepoznati i zaraziti bakterijsku ćeliju.

Bakteriofagi se uspješno uzgajaju i dokazuju u rutinskim laboratorijama. Na razmaz bakterije osjetljive na fag nanese se materijal (voda, tlo, hrana) u kojem testira prisustvo/odsustvo faga , pa se, nakon inkubacije, promatra da li se na hranjivoj podlozi usred bakterijskog razmaza javljaju prozirne zone ili plakovi (plaque, plakovi), koji su dokaz prisustva bakteriofaga, jer u tim čistim zonama se zbila zazgradnja (liza) bakterijskih ćelija. Zbog znatne moći preživljavanja i širenja u prirodi, bakteriofagi se često koriste u dokazivanju bakterijskih onečišćenja, kada se same bakterije više ne mogu dokazati.

Kao što je već pomenuto, bakteriofagi nemaju sopstveni metabolizam, pa im je za reprodukciju neophodan biološki domaćina koji ga posjeduje. U slučaju bakteriofaga to odgovarajuća (specifična) bakterijska ćelija. Tipski proces razmnožavanja faga obično se odvija u pet faza:

  1. priljubljivanje i vezanje krajeva faga za zid napadnute bakterijske ćelije, koji su uočljivi kao tanki repni filamenti(niti) na površinskoj strukturi bakterijske ćelije domaćina;
  2. injektiranje (unošenje) DNK ili RNK faga u bakterijsku ćeliju. Pritom omotač faga ostaje na površini bakterijske membrane u vidu nefunkcijskog proteina;
  3. latentna faza je obilježena stanjem kada se u bakterijskoj ćeliji još uvijek ne mogu uočiti niti dokazati strukture bakteriofaga. Tada počinje transkripcija virusnog genoma i translacija viruse iRNK, na kojoj počiva replikacija virusnih nukleinskih kiselina. Ova faza može potrajati nekoliko sati;
  4. sazrijevanje se ogleda u svojevrsnom sklapanju, odnosno sastavljanju novonastalih dijelova faga (ansambliranje faga);
  5. oslobađanje novih virusnih čestica se odvija tokom razgradnje (liziranja) domaćinske bakterijske ćelije ili se kod nekih bakterija dešava samo uključivanje pojedinih genetičkih informacija faga u bakterijski genom. Nastaju desetine, nekada stotine novih bakterijskih virusa – faga, iskorištavanja infrastrukture i gradivnog materijala bakterijske ćelije bakterijskog domaćina.

Replikacija[uredi | uredi izvor]

Dijagram procesa injektiranja DNK

Bakteriofag može imati litički ili lizogeni ciklus, a nekoliko virusa su sposobni za obavljanje oba. Kod litičkih faga , kao što je T4 fag, bakterijske ćelije se se otvaraju lomom zida (liziraju) i uništavaju nakon neposredne replikacije viriona. Čim je ćelija uništena, potomstvo faga nalai nove domaćine da ih zarazi. Litički fagi su pogodne za fagnu terapiju. Neki od njih prolaze kroz fenomen poznat kao inhibicija lize, gdje završeno potomstvo faga neće odmah lizirati iz ćelije, ako su vanćelijske kstracelularne koncentracije faga visoke. Ovaj mehanizam nije identična onom k od umjerenih faga kod kojih je uspavanost (dormancija) obično privremena.

Nasuprot tome, lizogeni ciklus ne vodi u neposrednu razgradnju (lizu) ćelije domaćina. Ovi fagi, koji su u stanju da se podvrgnu lizogeniji, poznati su kao umjereni fag i. Njihov virusni genom se integrira sa DNK domaćina i replicira uz nju, relativno bezopasno ili možda čak i postje uspostavljen kao plazmid. Virus ostaje uspavan dok pogoršava uvjete domaćina, možda zbog iscrpljivanja hranjivih tvari; tada endogeni fagi (poznati kao profagi) postaju aktivni. U ovom trenutku oni pokrenu reprodukcijski ciklus, što rezultira u lizu (razgradnju) ćelije domaćina. Kako lizogeni ciklus omogućava ćeliji domaćina da nastavi preživljavanje i razmnožavanje, virus se ponavlja u svim potomcima ćelije.

Primjer bakteriofaga koji može pratiti lizogene ciklus i litički ciklus faga poznat je kao lambda fag E. coli .[9] Ponekad prophagi mogu pružiti i korist domaćinskoj bakteriji , jer miruju dodavanjem novih funkcija u bakterijski genom u fenomenu koji je nazvan lizogena konverzija. Primjeri su pretvaranje bezopasnih sojeva bakteriofaga Corynebacterium diphtheriae ili Vibrio cholerae, visoke zaraznosti, koji uzrokuju difteriju , odnosno koleru.[10][11]Predložene su strategije za borbu protiv određenih bakterijskih infekcija koje ciljaju ove toksin-kodirajuće profage.[12]

Vezanje i prodiranje[uredi | uredi izvor]

Elektronska mikrografija prikazuje bakteriofage koji su prikačeni na bakterijsku ćeliju – virusi imaju veličinu i oblik kolifaga T1.

Za ulaz u ćelije domaćina, bakteriofagi se privezuju za specifične receptore na površini bakterija, uključujući i lipopolisaharidome, teihoične kiseline, proteine ili čak i bičeve. Ta specifičnost znači da bakteriofag može zaraziti samo određene bakterije, koje imaju receptore na koje se može vezati, što zauzvrat određuje opseg domaćin faga. Domaćinovi uvjeti rasta mogu uticati na sposobnost faga za vezanje i napasti ih.[13] Kako se fagni viriona ne kreću samostalno, moraju se osloniti na slučajne susrete sa pravim receptorima u otopini (krvna i limfna cirkulacija, navodnjavanje, voda tla, itd).

Miovirusni (mišićni) bakteriofag koristi špricoliki mehanizam ubrizgavanja svog genetičkog materijala u ćeliju. Nakon što ostvari kontakt s odgovarajućim receptorom, repna vlakna se savijaju dovodeći osnovnu ploču bliže površini ćelije; ovo je poznato kao reverzibilno vezanje. Jednom potpuno privezivanje, nepovratna je veza koja pokreće i kontrakciju repa, eventualno uz pomoć adenozin-trifosfata (ATP) , koji je prisutan u repu, ubrizgavajući genetiički materijal kroz bakterijsku membranu.

Podoviruses nedostaje izduženog rep plašta slična onoj od myovirus, pa su umjesto toga koriste svoje male, zub-kao rep vlakana enzimatski da degradira dio stanične membrane prije umetanja njihov genetski materijal.

Sinteza proteina i nukleinske kiseline[uredi | uredi izvor]

U toku od nekoliko minuta, bakterijski ribosomi pokreču prevođenje virusne iRNK u protein. Kod RNK-baziranih faga, RNK replikaza sintetira se u ranoj fazi procesa. Proteini mijenjaju bakterijsku RNK polimerazu, tako da prvenstveno transkribira virusne iRNK. Normalna sinteza domaćinskih proteina i nukleinskih kiselina je poremećena, a, umjesto toga, primorana je na proizvodnju virusnih proizvoda. Ovi proizvodi postaji dio novih viriona unutar ćelije, pomoćnici proteina koji pomažu u sastavljanju novog viriona ili proteina uključenih u ćelijsku razgradnju. Walter Fiers je bio prvi (1972.) koji je uspostavio potpunu nukleotidnu sekvencu gena i virusnog genoma bakteriofaga MS2 (1976.).[14]

Sklapanje viriona[uredi | uredi izvor]

U slučaju T4 faga, izgradnja novih virusnih čestica uključuje pomoć pomagačima proteina. Prvo se kompletira osnova ploče, a repovi se na nju nadograde kasnije. Kapsidna glave, izgrađene odvojeno, spontano se spajaju s repovima. DNK se efikasno upakuje unutar glave. Cijeli proces traje oko 15 minuta.

Dijagram tipske strukture repatog bakteriofaga

Otpuštanje viriona[uredi | uredi izvor]

Fagi se mogu osloboditi putem razgradnje ćelija , ekstrudiranjem, ili, u nekim slučajevima, pupanjem. Liza, kod repatih faga postiže se enzimom endolizinom, koji napada i razdvaja ćelijske zidove od peptidoglikana. Posve drugačiji tip faga, vlaknasti fag, u ćeliji domaćina neprestano izlučuju nove virusne čestice. Otpušteni virusi su opisani kao slobodni, a ako nisu defektni, sposobni su zaraziti novu bakteriju. Pupanje je povezana s određenim Mycoplasmama fagima. Za razliku od otpuštanja viriona, fagi koji ispoljavaju lizogeni ciklus ne ubijaju domaćina, već češće postaju stalni stanovnici bakterije, kao profagi.

Struktura genoma[uredi | uredi izvor]

Budući da postoji na milione različitih faga u okruženju, genomi faga dolaze u različitim oblicima i veličinama. RNK fagi, kao što je bakteriofag MS2 imaju najmanji genoma, od samo nekoliko kilobaza. Međutim, neki DNK fagi, kao što je bakteriofag T4 mogu imati veliki genoma sa stotinama gena. Genom bakteriofaga može biti vrlo mozaičan, tj. genom mnogih vrsta faga se sastoji od brojnih pojedinačnih modula. Ovi moduli se mogu naći u drugim vrsta faga, u različitim aranžmanima.

Bakteriofagi Mycobacteriophages sa mikobakterijskim domaćinom – predstavljaju odlične primjere ovog mozaicizma. U ovim mikobakteriofaga, genetički asortiman može biti rezultat ponovljenih slučajeva mjesno-specifične rekombinacije i nelegitimne rekombinacije; to je posljedica uključivanja genoma faga u bakterijska genetičke sekvence domaćina.[15] Treba napomenuti, međutim, da evolucijski mehanizmi oblikovanja genoma bakterijskih virusa variraju između različitih porodica i zavise od vrste nukleinskih kiselina, karakteristika virionske strukture, kao i načina virusnog životnog ciklusa.[16]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8. 
  2. ^ Sofradžija A., Šoljan D., Hadžiselimović R. (2004). Biologija 1. Svjetlost, Sarajevo. ISBN 9958-10-686-8. 
  3. ^ a b Mc Grath S and van Sinderen D (editors). (2007). Bacteriophage: Genetics and Molecular Biology (1st iz.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-14-1. [1]. 
  4. ^ Wommack, K. E.; Colwell, R. R. (2000). "Virioplankton: Viruses in Aquatic Ecosystems". Microbiology and Molecular Biology Reviews 64 (1): 69–114. PMC 98987. PMID 10704475. doi:10.1128/MMBR.64.1.69-114.2000. 
  5. ^ Prescott, L. (1993). Microbiology, Wm. C. Brown Publishers, ISBN 0-697-01372-3
  6. ^ BBC Horizon (1997): The Virus that Cures – Documentary about the history of phage medicine in Russia and the West
  7. ^ Keen, E. C. (2012). "Phage Therapy: Concept to Cure". Frontiers in Microbiology 3: 238. PMC 3400130. PMID 22833738. doi:10.3389/fmicb.2012.00238. 
  8. ^ http://phys.org/news/2015-11-bacteria-bacteriophages-collude-formation-clinically.html
  9. ^ Mason, Kenneth A., Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Peter H Raven, and George B. Johnson. (2011). Biology, p. 533. McGraw-Hill, New York. ISBN 978-0-07-893649-4.
  10. ^ Mokrousov I (January 2009). "Corynebacterium diphtheriae: genome diversity, population structure and genotyping perspectives". Infection, Genetics and Evolution 9 (1): 1–15. PMID 19007916. doi:10.1016/j.meegid.2008.09.011. 
  11. ^ Charles RC, Ryan ET (October 2011). "Cholera in the 21st century". Current Opinion in Infectious Diseases 24 (5): 472–7. PMID 21799407. doi:10.1097/QCO.0b013e32834a88af. 
  12. ^ Keen, E. C. (December 2012). "Paradigms of pathogenesis: Targeting the mobile genetic elements of disease". Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 2: 161. PMC 3522046. PMID 23248780. doi:10.3389/fcimb.2012.00161. 
  13. ^ Gabashvili, I.; Khan, S.; Hayes, S.; Serwer, P. (1997). "Polymorphism of bacteriophage T7". Journal of Molecular Biology 273 (3): 658–67. PMID 9356254. doi:10.1006/jmbi.1997.1353. 
  14. ^ Fiers, W.; Contreras, R.; Duerinck, F.; Haegeman, G.; Iserentant, D.; Merregaert, J.; Min Jou, W.; Molemans, F.; Raeymaekers, A.; Van Den Berghe, A.; Volckaert, G.; Ysebaert, M. (1976). "Complete nucleotide sequence of bacteriophage MS2 RNA: primary and secondary structure of the replicase gene". Nature 260 (5551): 500–507. Bibcode:1976Natur.260..500F. PMID 1264203. doi:10.1038/260500a0. 
  15. ^ Morris P, Marinelli LJ, Jacobs-Sera D, Hendrix RW, Hatfull GF (March 2008). "Genomic characterization of mycobacteriophage Giles: evidence for phage acquisition of host DNA by illegitimate recombination". Journal of Bacteriology 190 (6): 2172–82. PMC 2258872. PMID 18178732. doi:10.1128/JB.01657-07. 
  16. ^ Krupovic M, Prangishvili D, Hendrix RW, Bamford DH (December 2011). "Genomics of bacterial and archaeal viruses: dynamics within the prokaryotic virosphere". Microbiology and Molecular Biology Reviews : MMBR 75 (4): 610–35. PMC 3232739. PMID 22126996. doi:10.1128/MMBR.00011-11. 

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]