Bacteriofagii

Bacteriofagii sau virusurile mâncătoare de bacterii - reprezintă o grupă de virusuri cu efect distrugător asupra bacteriilor (efect litic). Bacteriofagii sunt larg răspândiţi în natură, existând în toate mediile de viaţă (apă, sol, aer).

Ce sunt Bacteriofagii?

Bacteriofagii, cunoscuți și sub numele de fagi, sunt virusuri care infectează și distrug bacteriile. Descoperiți la începutul secolului XX, acești agenți biologici au devenit o soluție promițătoare în tratamentul infecțiilor bacteriene, mai ales în contextul rezistenței la antibiotice.

Structura și Funcționarea Bacteriofagilor

Bacteriofagii sunt compuși dintr-un cap proteic care înconjoară materialul genetic (ADN sau ARN) și o coadă care facilitează injectarea genomului viral în celula bacteriană. Odată pătrunși în bacterie, fagi pot urma două cicluri de replicare:

• Ciclul litic – virusul preia controlul bacteriei, determinând distrugerea acesteia.
• Ciclul lizogenic – materialul genetic viral se integrează în genomul bacteriei, replicându-se pasiv până la activarea ciclului litic.

Structura bacteriofagilor este complexă, au formă spermatozoidală fiind prevăzuţi cu un cap şi coadă.

Figura 1 Structura schematica a unui bacteriofag

La nivelul capului se află genomul viral, de tip ADN, şi capsida virală, iar în coadă se găsesc proteine virale contractile, cu rol în ataşarea fagului pe suprafaţa bacteriei şi în transferul ADN-ului în celula gazdă. Ataşarea fagului de celula gazdă se realizează prin coadă, care produce o liză a peretelui celular cu ajutorul murolizinei, apoi se contactă şi împinge genomul în interiorul celulei gazdă. Capsida fagului rămâne în exterior.

Clasificarea bacteriofagilor

În 1967, Bradley a propus clasificarea bacteriofagului pe șase grupuri morfologice:

• Bacteriofag cu cap hexagonal și coadă cu teacă contractilă 
• Bacteriofag cu cap hexagonal și coadă lungă, flexibilă
• Bacteriofag cu cap hexagonal și coadă scurtă, necontractilă
• Bacteriofag cu doar cap hexagonal în simetrie cu capsomere mari pe el
• Bacteriofag cu un cap hexagonal simplu regulat
• Bacteriofag fără cap, dar cu virion lung cu filament flexibil

Cu toate acestea, Comitetul internațional pentru taxonomia virușilor (ICTV), ca singura organizație care s-a dezvoltat și autorizat în taxonomia virusului, a clasificat bacteriofagii în funcție de natura acidului lor nucleic, morfologie și proprietățile fizico-chimice ale particulelor lor de virion. În prezent, ICTV a clasificat bacteriofagele în nouă ordine, 48 de familii cu 32 de subfamilii și 317 genuri. Tipurile genomului acidului nucleic din fagi pot fi variate, cele mai multe dintre ele conțin ADN cu catenă dublă, în timp ce altele pot fi ADN monocatenare, ARN monocatenare sau ARN dublu-catenare.

Dupa morfologie bacteriofagi (fagii) pot fi faguri cu coadă, faze poliedrice sau cubice, filamentoase sau pleomorfe.

Bacteriofagii cu coadă (aproximativ 96% din fagii descoperiți)

Fagii (bacteriofagii) cu coadă sunt clasificați ca ordin Caudovirales care s-au împărțit în trei familii: Myoviridae, Siphoviridae și Podoviridae.

Fagii Myoviridae - cu cap icosaedric, cozi contractile, ADN dublu catenar

Exemplu: fagul T4, fagul P1

Fagii Siphoviridae -cu capul icosaedric, cozi lungi și necontractile, ADN dublu catenar 

Exemplu: phage λ, Lactococcus phage C2

Fagii Podoviridae - au capul icosaedric, cozi scurte, ADN dublu catenar

Exemplu: fagul T7, fagul P22

Bacteriofagi de forma poliedrică sau cubică

Acesti bacteriofagi  - clasificați în Microviridae, Corticoviridae, Tectiviridae, Leviviridae și Cystoviridae.

Fagii Microviridae - cap icosaedric, virion dimensiune 27 nm, cu 12 capsomeri, ADN monocatenar

Exemplu: fag φX174

Fagii Corticoviridae - fără plic, dimensiune 63 nm, capsidă complexă, lipide, ADN dublu catenar

Exemplu: fag PM2

Fecte Tectiviridae - fără plic, 60 nm, vezicule lipidice flexibile, pseudo-coadă, ADN dublu catenar

Exemplu: fag PRD1

Fagii Leviviridae - fără plic, 23 nm, asemănător cu poliovirus, ARN monocatenar

Exemplu: fag MS2

Fagii Cystoviridae - cu cap acoperit, icosaedric, 70-80 nm, lipide, ARN dublu catenar

Exemplu: Pseudomonas ɸ6

Fagii filamentați 

Fagii filamentați cuprind trei familii cunoscute sub numele de Inoviridae, Lipothrixviridae și Rudiviridae.

Fagii Inoviridae - fără plic, filament lung lung sau tije drepte scurte, ADN monocatenar

Exemplu: fag M13

Fagii Lipothrixviridae înveliți, în formă de tijă, lipide, ADN dublu catenar

Exemplu: fag TTV1

Fagii Rudiviridae - tije drepte neacoperite, asemănătoare cu TMV, ADN dublu catenar

Exemplu: fag SIRV-1

Fagii pleomorfi

Fagii care conțin ADN dublu catenar sunt clasificati în mai multe familii: Plasmaviridae, Fuselloviridae, Guttaviridae, Bicaudaviridae, Ampullaviridae și Globuloviridae.

Fagii cu plasmăviridae înveliți, 80nm, fără capsidă, lipide

Exemplu: fag MVL2

Fuselloviridae faguri înveliți, capidă conică cu capăt scurt, lipide

Exemplu: fag SSV1

Fagii Guttaviridae sub formă de picături

Exemplu: fag SNDV

Fagii Bicaudaviridae - Virioni în formă de lămâie, cozi lungi de 120X 80 nm

Exemplu: fag ATV

Virion Ampullaviridae, în formă de flacon, în formă de sticlă, lungime de 230 nm

Exemplu: fag ABV

Fagul Globuloviridae - virioni sferici, 70-100 nm, plic conținând lipide

Exemplu: fag PSV

Există două grupe de bacteriofagi:

• bacteriofagi virulenţi, care după replicare şi în timpul eliberării produl liza celulei bacteriene (ciclul litic).
• bacteriofagi temperaţi, care nu produce liza celulei ;se integrează în genomul bacteriei gazdă sub formă de profag.

Aceştia se replică sincron cu genomul bacterian, astfel că toţi descendenţii vor conţine în genom profagul respectiv (ciclu lizogenic). Fenomenul de lizogenie este folosit în manipulări genetice, deoarece cu ajutorul bacteriofagilor pot fi transmise celulelor anumite fragmente de ADN (gene), care pot imprima un anumit caracter dobândit.

Figura 2 Ciclul litic şi lizogenic al multiplicării bacteriofagilor

Rolul bacteriofagilor în natură

1. Reglarea populațiilor bacteriene – Bacteriofagii mențin echilibrul microbian în medii precum solul, oceanele și chiar în microbiota umană, prevenind proliferarea excesivă a anumitor bacterii.
2. Ciclul biogeochimic – Contribuie la reciclarea nutrienților prin liza bacteriilor, eliberând compuși esențiali în ecosistemele acvatice și terestre.
3. Evoluția bacteriilor – Prin transfer orizontal de gene, bacteriofagii pot influența evoluția bacteriilor, contribuind la adaptarea acestora la mediu.
4. Protecția împotriva bacteriilor patogene – În ecosisteme naturale, bacteriofagii pot limita răspândirea bacteriilor dăunătoare, având potențial ca agenți terapeutici în tratarea infecțiilor bacteriene.

Datorită acestor roluri, bacteriofagii sunt studiați intens pentru aplicații medicale, biotehnologice și de mediu.

Bacteriofagii au un rol important în natură, în ecologia bacteriană. Astfel ei contribuie la reducerea numerică a unor populaţii de bacterii (reglajul numeric). Specificitatea relaţiei fag-bacterie a iniţiat elaborarea unui procedeu de clasificare a bacteriilor, în funcţie de sensibilitatea lor faţă de un fag sau un anumit grup de fagi, numită lizotipie sau tipizare prin fag. Această particularitate este utilizată în epidemiologie pentru a stabili originea şi evoluţia unei infecţii bacteriene într-o colectivitate umană.

Figura 3 Patrunderea bacteriofagului in celula și introducerea ADN-ului său

Este folosit, deci, că indicator sanitar şi în acest sens se prelevează periodic probe de apă, din diferite surse potabile şi se depistează fagii care parazitează anumite bacterii. De exemplu, prezenţa în sursa de apă a fagului antific evidenţiază poluarea sursei respective cu specia Salmonella typhi.

Totuşi prezenţa bacteriofagilor virulenţi poate determina efecte nedorite în diferite ramuri biotehnologice ale industriei uşoare (ex: industria fermentativă) întru-cât aceştia pot liza microorganismele folosite în aceste biotehnologii fermentative sau în unele procese de biosinteză. La nivelul solului şi în mediul acvatic fagi produc liza a numeroase bacterii patogene contribuind prin aceasta la o sterilizare a acestora.

Importanța Bacteriofagilor în Medicină

Bacteriofagii sunt o alternativă promițătoare la antibiotice, având multiple avantaje:

• Tratamentul infecțiilor rezistente la antibiotice – fagi pot distruge bacteriile care au dezvoltat rezistență la medicamentele convenționale.
• Terapie țintită – acționează doar asupra bacteriilor specifice, fără a afecta flora intestinală benefică.
• Reducerea efectelor secundare – spre deosebire de antibiotice, bacteriofagii au un impact minim asupra organismului uman.

Aplicații ale Bacteriofagilor

1. Terapia cu Bacteriofagi

Terapia fagică este utilizată cu succes în tratarea infecțiilor rezistente, fiind studiată intens în țări precum Georgia și Rusia.

2. Industria Alimentară

Bacteriofagii sunt folosiți pentru a preveni contaminarea alimentelor cu bacterii patogene precum Salmonella și Listeria.

3. Biotehnologie și Cercetare

Fagii sunt folosiți în ingineria genetică pentru transferul de gene și studii asupra mecanismelor bacteriene.

Viitorul Bacteriofagilor

Deși terapia cu fagi nu este încă utilizată pe scară largă în multe țări, cercetările continuă să demonstreze eficiența lor în combaterea infecțiilor bacteriene. Dezvoltarea unor tratamente personalizate bazate pe fagi ar putea revoluționa medicina modernă, oferind o alternativă viabilă la antibiotice.

Concluzie

Bacteriofagii reprezintă o soluție inovatoare în lupta împotriva bacteriilor patogene, având un potențial imens în domeniul medical, alimentar și biotehnologic. Pe măsură ce rezistența la antibiotice devine o problemă globală, utilizarea fagilor ar putea redefini strategiile terapeutice viitoare.