Bakteriofagi to grupa wirusów, dla których docelowymi komórkami są bakterie lub archeony. Wyodrębniono 9 rodzin bakteriofagów infekujących bakterie oraz 2 archeony. Fagi są powszechne zarówno w środowisku wodnym jak i lądowym, w żywności, ściekach, a także w ciele człowieka. Swą liczebnością znacznie przewyższają bakterie, szacuje się, że w przyrodzie na jedną komórkę bakteryjną przypada 100 fagów.

Są one kluczowym elementem ekosystemu, uczestniczą w regulowaniu procesu obiegu materii i utrzymaniu równowagi biologicznej. Wpływają na liczebność i skład populacji bakteryjnej. Jako składnik naturalnej flory układu pokarmowego człowieka warunkują prawidłowy rozwój układu immunologicznego.

Podziału taksonomicznego wirusów dokonano w oparciu o następujące cechy:

- rodzaj kwasu nukleinowego (DNA/RNA)

- struktura genomu (jedno-, dwuniciowy kw. nukleinowy)

- obecność lub brak lipoproteinowej osłonki

- budowa cząstek fagowych

BUDOWA śr. wielkość 24-200 nm

Fagi zbudowane są z materiału genetycznego otoczonego białkami strukturalnymi, które tworzą kapsyd (główkę) o kształcie izometrycznym, helikalnym lub złożonym (łączącym w sobie obie formy: ma charakterystyczny zarys z wyodrębnioną główką i ogonkiem). U niektórych fagów obserwuje się obecność dodatkowej lipoproteinowej osłonki, w którą wbudowane są białka fuzyjne.

Wielkość bakteriofagowego genomu zazwyczaj zawiera się w przedziale 2,5 kpz do 150 kpz, a jego rozmiar jest proporcjonalny do ilości genów. Informacja genetyczna zawarta jest w formie DNA lub RNA o jedno- lub dwuniciowej strukturze, liniowej lub kolistej. Zwykle wszystkie geny faga znajdują się na pojedynczej cząsteczce, chodź u niektórych fagów typu RNA na więcej niż jednej (fagi segmentowane). Genom faga M13 ma wielkość 6 kpz, co odpowiada 10 genom. Dla T4 166 kpz 150 genów.

Rys 1. Bakteriofag o strukturze helikalnej (nitkowaty) np. fd, fl

Rys 2. Bakteriofag o strukturze izomerycznej (izokaedralnej), np.

Struktura isokaedralna – na jej 20 równobocznych powierzchniach znajduje się, co najmniej 60 identycznych elementów ułożonych w formie kulistej połączonych ze sobą podwójną, trójkrotną, pięciokątna osią symetrii.

Rys 3. Bakteriofag o złożonej budowie

Typy ogonków:

- krótkie (np. fag T7)

- długie kurczliwe (fag Mu)

- długie niekurczliwe (fag λ)

CYKL ŻYCIOWY

Bakteriofagi zwykle wprowadzają do komórki żywiciela swój materiał genetyczny (otoczki białkowe pozostają na zewnątrz). W wyniku tego metabolizm zainfekowanej komórki zostaje podporządkowany informacji genetycznej faga (następuje zmiana aktywności komórki bakteryjnej) i prowadzi do syntezy cząsteczek potomnych wirusa.

Etapy cyklu rozwojowego bakteriofagów:

1. Adhezja

Adsorpcja wirusa na komórce jest możliwa dzięki obecności receptorów w ścianie komórkowej bakterii (np. LPS (G-) kw. tejchojowe (G+), rzęski, białek bakteryjnych). Płytka podstawowa umożliwia przylgnięcie wirusa do powierzchni komórki.

1. Wstrzyknięcie genomu faga do komórki bakteryjnej

Skurcz pochewki na ogonku (dla fagów z kurczliwym ogonkiem) i działanie enzymu bakteriolitycznego na spodzie płytki podstawowej powoduje przebicie ściany i błony komórkowej oraz wprowadzenie materiału genetycznego faga do cytozolu bakterii.

1. Okres latencji (ciszy) – niewidoczności faga w komórce bakteryjnej.

W tym czasie następuje zmiana metabolizmu bakterii: zahamowana zostaje synteza DNA, RNA i białek, następuje degradacja struktur białkowych i genomu żywiciela. W okresie latencji pojawiają się białka wczesne (niezbędne do transkrypcji i translacji genomu) faga. Pod jego koniec pojawiają się białka późne (kapsydu i lizozymu).

1. Replikacja kwasów nukleinowych.

DNA wirusa podlega transkrypcji i translacji. Jeśli fag jest RNA to jedynie translacji. Następuje synteza białek strukturalnych i replikacja genomu wirusa.

1. Dojrzewanie bakteriofagów.

Koniec okresu latencji. W tym etapie następuje składanie powielonych elementów wirusa. Genom pakowany jest w kapsyd.

1. Uwalnianie fagów

Fagowy lizozym trawi ścianę komórkową bakterii, co prowadzi do uwolnienia nowo powstałych fagów.

Bakteriofagi w zależności od charakteru przebiegu cyklu życiowego dzielimy na:

Fagi łagodne – wprowadzają swój genom do bakterii, gdzie ulega on wbudowaniu w genom bakteryjny i podlega z nim naturalnej replikacji. Zintegrowany z bakterią fag to profag. Proces zaś nosi nazwę lizogenii. Czyli fag przenoszony jest na nowe pokolenie bakterii w trakcie jej podziału. Jest to lizogeniczny cykl rozwojowy faga. W pewnych warunkach (promieniowanie jonizujące, UV) może mieć miejsce uwolnienie profagów z genomu. Wtedy fag namnaża się w cytoplazmie i prowadzi do lizy komórki bakteryjnej. Taki cykl przechodzi fag λ lub Mu.

Fagi wirulentne (zjadliwe) – wprowadzają genom do komórki bakteryjnej, namnażają się kosztem energii, enzymów i substancji żywiciela, przechodzą proces składania, dojrzewania, po czym powodują rozpad komórki bakterii. Jest to lityczny cykl rozwojowy bakteriofaga.

Wykorzystanie fagów:

- terapia fagowa vs antybiotykoterapia

- do leczenia ran pooparzeniowych (koktajle bakteriofagowe) infekcje gł. Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus

- zapewnienie bezpieczeństwa żywności (odkażanie od Listeria monocytogenes)

a. biokontrola fagowa – odkażanie żywności np. mięsa surowego

b. biosanitacja fagami – odkażanie sprzętu

c. konserwacja fagami

- wykrywanie zakażeń w żywności przy użyciu fagów (bioluminescencja)