Główna zawartość
Biologia
Bakteriofagi
Wirusy atakujące bakterie. Cykl lityczny i cykl lizogeniczny. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu FUNDACJI HASCO-LEK.
Wprowadzenie
Nawet bakterie mogą złapać wirusa! Wirusy infekujące bakterie nazywane są bakteriofagami, a niektóre z nich zostały szczegółowo przebadane w laboratorium (co czyni je jednymi z najlepiej poznanych wirusów).
W tym artykule przyjrzymy się dwóm różnym cyklom, które bakteriofagi mogą wykorzystać do zainfekowania gospodarzy bakteryjnych:
- Cykl lityczny: Fag infekuje bakterię, przejmuje nad nią kontrolę, aby wytworzyć wiele kopii fagów, a następnie zabija ją, powodując rozerwanie komórki (lizę).
- Cykl lizogeniczny: Fag infekuje bakterię i wprowadza swój DNA do chromosomu bakteryjnego, umożliwiając kopiowanie swojego DNA (od teraz nazywanego profagiem) i przekazywanie go wraz z DNA komórki bakteryjnej.
Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z tych cykli.
Bakteriofag to wirus infekujący bakterie
Bakteriofag lub w skrócie fag, jest wirusem, który infekuje bakterie. Podobnie jak inne typy wirusów, bakteriofagi różnią się znacznie pod względem kształtu i materiału genetycznego.
- Genomy fagów mogą być zbudowane z DNA lub RNA i mogą zawierać zaledwie cztery lub nawet do kilkuset genów
. - Kapsyd bakteriofaga może mieć kształt ikozaedryczny, spiralny lub bryłowo-spiralny. Struktura bryłowo-spiralna wydaje się być charakterystyczna dla fagów i ich bliskich krewnych (nie występuje w przypadku wirusów eukariotycznych)
.
Infekcje bakteriofagowe
Bakteriofagi, podobnie jak inne wirusy, muszą zainfekować komórkę gospodarza w celu namnażania się. Kroki, które składają się na proces zakażenia, nazywane są cyklem życia faga.
Niektóre fagi mogą się namnażać jedynie poprzez lityczny cykl życia, w którym rozrywają i zabijają komórki gospodarza. Inne fagi mogą przeprowadzać zarówno lityczny jak i lizogeniczny cykl życia, gdzie w tym drugim nie zabijają komórek gospodarza (a zamiast tego są kopiowane wraz z DNA gospodarza za każdym razem, gdy komórki ulegają podziałom komórkowym).
Przyjrzyjmy się bliżej tym dwóm cyklom. Jako przykład, wykorzystamy faga o nazwie lambda ( ), który infekuje bakterie E. coli i może przełączać się między litycznym i lizogenicznym cyklem.
Cykl lityczny
W cyklu litycznym, fag zachowuje się jak typowy wirus: przejmuje kontrolę nad komórką gospodarza i wykorzystuje jej zasoby, aby wyprodukować wiele nowych fagów, doprowadzając jednocześnie do lizy (rozerwania) komórki i w efekcie jej śmierci.
Etapy cyklu litycznego:
- Adsorpcja: Białka z „ogona” faga wiążą się z określonym receptorem (w tym przypadku transporterem cukru) na powierzchni komórki bakteryjnej.
- Wnikanie: Fag wstrzykuje swój genom w postaci dwuniciowego DNA do cytoplazmy bakterii.
- Replikacja DNA i synteza białek: DNA faga jest kopiowane, a geny faga ulegają ekspresji w wyniku czego powstają białka, takie jak białka kapsydu.
- Składanie nowych fagów: Kapsydy składane są z białek kapsydu a następnie jest wprowadzany DNA, aby wytworzyć wiele nowych fagów.
- Liza: Pod koniec cyklu litycznego, geny faga ulegają ekspresji w wyniku czego powstają białka, które powodują powstawanie otworów w błonie plazmatycznej i ścianie komórkowej bakterii. Otworami napływa do komórki woda, w wyniku czego ta pęcznieje i pęka, jak przepełniony wodą balon.
Pęknięcie komórek lub inaczej liza uwalnia setki nowych fagów, które mogą znajdować i zarażać inne komórki gospodarza w pobliżu. W ten sposób kilka cykli infekcji litycznej może pozwolić na rozprzestrzenianie się faga w populacji bakterii, niczym pożar.
Cykl lizogeniczny
Cykl lizogeniczny pozwala fagowi namnażać się bez zabijania swojego gospodarza. Niektóre fagi mogą realizować tylko cykl lityczny, ale fag, któremu się przyglądamy, lambda ( ), może przełączać się między tymi dwoma cyklami.
W cyklu lizogenicznym pierwsze dwa etapy (adsorpcja i wstrzyknięcie DNA) wyglądają tak samo jak w cyklu litycznym. Jednak, gdy DNA faga znajdzie się w komórce, nie jest natychmiast kopiowane i nie ulega ekspresji w celu wytworzenia białek. Zamiast tego ulega rekombinacji z określonym fragmentem chromosomu bakteryjnego. To powoduje włączenie DNA faga do chromosomu bakteryjnego.
Zintegrowane DNA faga, zwane profagiem, nie jest aktywne: jego geny nie ulegają ekspresji i nie napędzają produkcji nowych fagów. Jednak za każdym razem, gdy komórka gospodarza dzieli się, profag jest kopiowany wraz z DNA gospodarza, otrzymując darmowy przejazd. Cykl lizogeniczny jest wolniejszy (i mniej krwawy) niż cykl lityczny, ale w ostatecznym rozrachunku, jest to kolejny sposób na namnażanie fagów.
W odpowiednich warunkach profag może stać się aktywny i opuścić chromosom bakteryjny, wyzwalając pozostałe etapy cyklu litycznego (kopiowanie DNA, synteza białek, składanie fagów i liza komórki).
Lizować czy nie lizować?
W jaki sposób fag „decyduje”, czy wejść w cykl lityczny czy lizogeniczny, gdy już zainfekuje bakterię? Jednym z ważnych czynników jest liczba fagów infekujących komórkę jednocześnie . Większa liczba fagów współzakażających zwiększa prawdopodobieństwo, że infekcja wejdzie w cykl lizogeniczny. Ta strategia może pomóc zapobiec zabiciu przez fagi ich gospodarzy bakteryjnych (poprzez złagodzenie ataku, jeśli stosunek fagów do gospodarza stanie się zbyt wysoki) .
Co powoduje, że profag opuszcza chromosom i wchodzi w cykl lityczny? Przynajmniej w laboratorium, czynniki uszkadzające DNA (takie jak promieniowanie UV i chemikalia) powodują ponowne aktywowanie większości profagów w populacji. Jednak niewielka część profagów w populacji spontanicznie „wchodzi w cykl lityczny” nawet bez tych zewnętrznych czynników .
Bakteriofagi vs. antybiotyki
Zanim odkryto antybiotyki, prowadzono badania nad wykorzystaniem bakteriofagów do leczenia chorób bakteryjnych u ludzi. Bakteriofagi atakują tylko bakterie gospodarza, a nie komórki ludzkie, dlatego są potencjalnie dobrymi kandydatami do leczenia chorób bakteryjnych u ludzi.
Po odkryciu antybiotyków zainteresowanie fagami zostało w dużej mierze porzucone w wielu częściach świata (szczególnie w krajach anglojęzycznych). Jednak fagi wciąż były wykorzystywane do celów medycznych w wielu krajach, w tym w Rosji, Gruzji i Polsce, gdzie do tej pory są używane .
Rośnie zainteresowanie powrotem do „terapii fagowej”, ponieważ bakterie oporne na antybiotyki stają się coraz większym problemem. Wciąż potrzebne są badania, aby sprawdzić, jak bezpieczne i skuteczne są fagi, ale kto wie? Pewnego dnia lekarz może napisać Ci receptę na fagi zamiast penicyliny!
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji