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 genówstart superscript, 1, comma, 2, comma, 3, end superscript.
- 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)start superscript, 4, comma, 5, end superscript.
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 (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 (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 jednocześniestart superscript, 9, end superscript. 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)start superscript, 10, end superscript.
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 czynnikówstart superscript, 7, comma, 11, end superscript.
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 używanestart superscript, 12, comma, 13, end superscript.
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