Τι είναι ένας βακτηριοφάγος;

Ο βακτηριοφάγος είναι ένας ιός που μολύνει βακτήρια. Ο βακτηριοφάγος χρησιμοποιεί τα βακτήρια-ξενιστές του ως εργοστάσιο για να παράγει περισσότερους βακτηριοφάγους, σκοτώνοντας τα βακτήρια στη διαδικασία. Αυτό μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν θεραπείες κατά των βακτηρίων που μολύνουν τον άνθρωπο.

Οι ιοί είναι μολυσματικοί παράγοντες τόσο μικροσκοπικοί που χρειάζονται ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να φανούν. Για να σας δώσω κάποια προοπτική, αν πιστεύετε ότι τα βακτήρια είναι μικρά και αόρατα (που είναι), οι ιοί είναι 10 έως 100 φορές μικρότεροι παρά βακτήρια. Αυτοί οι ιοί, όταν έρχονται σε επαφή με έναν άνθρωπο ξενιστή, μπορούν να δημιουργήσουν όλεθρο και να αρρωστήσουν πολύ τον άνθρωπο. Τώρα, όπως υπάρχουν ιοί που μολύνουν και προκαλούν ασθένειες στους ανθρώπους, υπάρχουν επίσης ιοί που μολύνουν τα βακτήρια και τα προκαλούν το θάνατο!

Δικαίως ονομάζονται φάγοι ή βακτηριοφάγοι, που ουσιαστικά σημαίνει «βακτηριοφάγοι»! Είναι σαν ένας κακός (ιός) να σκοτώνει τον άλλο κακό τύπο (βακτήρια).

Πώς στο καλό οι άνθρωποι ανακάλυψαν έναν αόρατο οργανισμό να τρώει έναν άλλο αόρατο οργανισμό;

Ο Frederick William Twort, το 1915, παρατήρησε ότι οι βακτηριακές αποικίες μερικές φορές απλώς διαλύονταν και εξαφανίζονταν (λύση) και ότι αυτό το αποτέλεσμα συνεχίστηκε ακόμη και όταν η βακτηριακή αποικία περνούσε από ένα βακτηριακό φίλτρο. Δεδομένου ότι ήταν γνωστό ότι οι ιοί είναι 10-100 φορές μικρότεροι από τα βακτήρια και επομένως μπορούσαν να περάσουν μέσα από βακτηριακά φίλτρα, οι Twort και Felix d'Herelle επινόησαν έναν όρο για τον ιό που έτρωγε τα βακτήρια - «βακτηριοφάγος». Επίσης αναφέρονται συνήθως ως «ιοί των βακτηρίων».

Βακτηριοφάγος – “Ιοί βακτηρίων” – Γιατί είναι σημαντικοί για τον άνθρωπο;

Γρήγορη ερώτηση…όταν είμαστε άρρωστοι λόγω βακτηριακής λοίμωξης, πώς επιτιθέμεθα και σκοτώνουμε τα βακτήρια; Η απλή απάντηση είναι η χρήση αντιβιοτικών που έχει συνταγογραφήσει ο γιατρός μας. Μερικές φορές, λόγω της συχνής χρήσης αντιβιοτικών, τα βακτήρια αναπτύσσουν ανοσία και αρνούνται να πεθάνουν, οπότε συνεχίζουμε να παραμένουμε άρρωστοι. Τώρα, σκεφτείτε τον απίθανο ήρωά μας - τον βακτηριοφάγο! Ο πρωταρχικός ρόλος ενός βακτηριοφάγου είναι να τρώει/σκοτώνει τα κακά βακτήρια! Φανταστείτε τον ρόλο που θα μπορούσε να παίξει ένας βακτηριοφάγος στη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών! Αυτή η προσέγγιση για την υγεία αναφέρεται επίσης ως φαγοθεραπεία.

Τι είναι η Φαγοθεραπεία;

Η θεραπεία με φάγο είναι η χρήση ιών βακτηρίων για την εξάλειψη βακτηρίων που προκαλούν ασθένειες ή ανεπιθύμητα βακτήρια. Οι βακτηριοφάγοι μπορούν να σκοτώσουν μόνο έναν συγκεκριμένο τύπο/στέλεχος βακτηρίων, σε αντίθεση με τα αντιβιοτικά, τα οποία προχωρούν σε τυχαία θανάτωση και εκτοξεύουν κάθε βακτήριο στον ορίζοντα, ακόμη και εκείνα που είναι καλά για εμάς, εξαντλώντας έτσι τη «φυσιολογική χλωρίδα» μας. Δεδομένου ότι οι βακτηριοφάγοι είναι δολοφόνοι μόνο ενός συγκεκριμένου βακτηριακού ξενιστή, δεν βλάπτουν τα καλά μας βακτήρια. Επίσης, δεδομένου ότι οι βακτηριοφάγοι χρειάζονται τον βακτηριακό ξενιστή τους για να επιβιώσουν και μπορούν να αναπαραχθούν μόνο σε ένα συγκεκριμένο βακτήριο, μόλις πάψουν να υπάρχουν τα βακτήρια που προκαλούν την ασθένεια, εξαφανίζονται και οι βακτηριοφάγοι! Δεν κρέμονται στο σώμα μας σαν ανεπιθύμητοι επισκέπτες. Εν ολίγοις, οι βακτηριοφάγοι είναι οι λογικοί εταίροι για τον φυσικό αμυντικό στρατό του σώματός μας. Ωστόσο, χρειάζεται ακόμη να γίνει πολλή έρευνα για να διερευνηθεί η επιλογή χρήσης βακτηριοφάγων για τη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών και να κατανοηθούν καλύτερα τα πιθανά μειονεκτήματα της θεραπείας με φάγο. Υπάρχει ακόμη χρόνος για τη θεραπεία με φάγο να αντικαταστήσει τα αντιβιοτικά και η ιδέα έχει πολλές δυνατότητες!

Βιοσυντήρηση με βάση τους φάγους – Εκτός από τον άνθρωπο, τι άλλο μπορούν να βλάψουν τα βακτήρια; Γνωρίζουμε ότι τα τρόφιμα, όπως τα φρούτα και τα λαχανικά, αλλοιώνονται και σαπίζουν με την πάροδο του χρόνου. Οι ένοχοι και εδώ είναι βακτήρια. Τώρα που γνωρίζουμε ότι οι βακτηριοφάγοι σκοτώνουν τα βακτήρια, οι φάγοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δολοφόνοι παρασίτων (βακτήρια) σε φρούτα, τυριά κ.λπ., ενεργώντας έτσι ως φυσικά συντηρητικά για ευπαθή είδη.

Γενετική έρευνα – Οι βακτηριοφάγοι είναι οι μικρότερες και απλούστερες βιολογικές οντότητες που ξέρουν πώς να αυτο-αντιγραφούν (κάνουν αντίγραφα του εαυτού τους). Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά πολύ χρήσιμα για σκοπούς γενετικής έρευνας και μελετών.

Δομή και μορφολογία βακτηριοφάγων

Δεδομένου ότι οι βακτηριοφάγοι είναι ιοί, ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο βοηθά τους ανθρώπους να τους οπτικοποιήσουν και να παρατηρήσουν τη δομή τους. Οι φάγοι, όπως όλοι οι ιοί, έχουν έναν πυρήνα νουκλεϊκού οξέος που καλύπτεται από ένα πρωτεϊνικό περίβλημα που ονομάζεται καψίδιο, το οποίο με τη σειρά του αποτελείται από υπομονάδες που ονομάζονται καψομερή. Οι βακτηριοφάγοι έχουν συνήθως κεφάλι και ουρά. Η ουρά του βακτηριοφάγου χρησιμοποιείται για να διεισδύσει στο βακτηριακό κύτταρο και να εισάγει ιικό νουκλεϊκό οξύ στα βακτήρια. Ένας καλός τρόπος για να το φανταστούμε αυτό είναι το τσίμπημα από ένα κουνούπι, όπου το κουνούπι μας τσιμπάει και μας μεταφέρει παράσιτα, αρρωστώντας μας.

Η μορφολογία των βακτηριοφάγων τείνει να δείχνει μία από αυτές τις μορφές:

1. Εξαγωνική κεφαλή, άκαμπτη ουρά με συσταλτικό περίβλημα και ίνες ουράς.
2. Εξαγωνική κεφαλή, εύκαμπτη ουρά, χωρίς συσταλτικό περίβλημα, μπορεί να έχει ή να μην έχει ίνες ουράς.
3. Εξαγωνική κεφαλή, ουρά πιο κοντή από το κεφάλι, χωρίς συσταλτικό περίβλημα και μπορεί να έχει ή να μην έχει ίνες ουράς.
4. Κεφάλι από μεγάλα καψομερή, αλλά χωρίς ουρά
5. Νηματώδης τύπος φάγου.

Δομικά, οι περισσότεροι φάγοι διαθέτουν είτε κυβική είτε ελικοειδή συμμετρία. Γενικά, οι κυβικοί φάγοι είναι κανονικά στερεά ή «πολυεδρικοί», ενώ οι ελικοειδείς φάγοι έχουν σχήμα ράβδου. Οι πολυεδρικοί φάγοι έχουν σχήμα εικοσάεδρου, που σημαίνει ότι το καψίδιο τους έχει 20 όψεις διατεταγμένες σε σχήμα ισόπλευρων τριγώνων. Το εικοσαεδρικό σχήμα είναι ένα σταθερό σχήμα για τον φάγο και επιτρέπει μεγαλύτερο χώρο για την αποθήκευση του ιικού νουκλεϊκού οξέος. Το νουκλεϊκό οξύ σε έναν βακτηριοφάγο μπορεί να είναι είτε DNA είτε RNA, τα οποία θα μπορούσαν να είναι δίκλωνα ή μονόκλωνα.

Διασκεδαστικά στοιχεία για τους βακτηριοφάγους!

• Οι βακτηριοφάγοι αντιπροσωπεύουν την πιο άφθονη βιολογική μορφή στη βιόσφαιρα και υπερτερούν των βακτηρίων κατά έναν παράγοντα περίπου 10 έως 1!!
• Κάθε χιλιοστόλιτρο θαλασσινού νερού περιέχει περίπου 107–108 φάγους και σχεδόν 1023 μολύνσεις από φάγους συμβαίνουν κάθε δευτερόλεπτο!!
• Το έντερό μας είναι μια τεράστια παιδική χαρά για αυτούς τους ιούς που τρώνε βακτήρια, καθώς το έντερό μας είναι πυκνοκατοικημένο με 1013–1014 βακτήρια ανά γραμμάριο κοπράνων!!

Πώς αναπαράγονται σε τόσο τεράστιους αριθμούς;

Αναρωτιέστε πώς στο διάολο αυτά τα μικροσκοπικά μικρά πράγματα μπορούν να μεγαλώσουν σε τόση αφθονία; Για να απαντήσουμε σε αυτό, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς είναι ο κύκλος ζωής τους. Σε γενικές γραμμές, οι φάγοι μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κύριες κατηγορίες με βάση τον κύκλο ζωής τους:αυστηρά λυτικούς φάγους (ή λοιμογόνους) και εύκρατους φάγους.

Ο Λυτικός Κύκλος

Οι λοιμώδεις φάγοι μπορούν να αναπαραχθούν μόνο μέσω ενός λυτικού κύκλου, ο οποίος χαρακτηρίζεται από τη λύση (ρήξη) του μολυσμένου βακτηριακού ξενιστή στο τέλος του κύκλου αντιγραφής του φάγου. Τα βήματα στη διαδικασία ενός λυτικού κύκλου είναι τα εξής-

(Πίστωση εικόνας:Flickr)

1. Απορρόφηση – Αυτό είναι ένα υποχρεωτικό βήμα για να μολύνει ένας βακτηριοφάγος έναν βακτηριακό ξενιστή. Εδώ, η άκρη του βακτηριοφάγου προσκολλάται σε ορισμένους υποδοχείς στο βακτηριακό κύτταρο.
2. Διείσδυση – Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με τη βοήθεια ορισμένων ενζύμων φάγων. Ο πυρήνας της ουράς του φάγου εγχέει το DNA του στο βακτηριακό κύτταρο ξενιστή, παρόμοια με τον τρόπο που μια σύριγγα εγχέει ένα φάρμακο.
3. Μεταγραφή – Λίγα λεπτά μετά τη διείσδυση, το νουκλεϊκό οξύ του φάγου αναλαμβάνει τον έλεγχο του βακτηρίου και καταστρέφει το γενετικό υλικό του ίδιου του βακτηρίου, σχεδόν σαν μια πειρατεία του βακτηριακού ξενιστή από τον βακτηριοφάγο. Το DNA/RNA του φάγου αρχίζει τώρα να αναπαράγεται και να δημιουργεί νέους μωρούς φάγους χρησιμοποιώντας τον βακτηριακό ξενιστή.
4. Συναρμολόγηση και απελευθέρωση – Μόλις αρχίσουν να σχηματίζονται αυτοί οι μωροί φάγοι, όλα τα μέρη των μωρών φάγων ενώνονται και σχηματίζουν αρκετούς νέους βακτηριοφάγους. Σε μόλις 25 λεπτά μετά την αρχική μόλυνση, συγκεντρώνονται περίπου 200 νέοι βακτηριοφάγοι και το βακτηριακό κύτταρο ανοίγει και σπάει (λύση) για να απελευθερώσει αυτούς τους φάγους, οι οποίοι συνεχίζουν να βρίσκουν πολλά άλλα βακτήρια για να δημιουργήσουν ακόμη περισσότερους φάγους.

Ιατρική πτυχή του λυτικού κύκλου

Τυποποίηση φάγου – Οι λυτικοί φάγοι συνήθως μολύνουν μόνο ένα στέλεχος βακτηρίων, επομένως ο τύπος βακτηριοφάγου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό και την απομόνωση ορισμένων στελεχών βακτηρίων που προκαλούν ασθένειες, λειτουργώντας έτσι ως ιατρικό εργαλείο για τη διάγνωση και τον εντοπισμό των ένοχων βακτηρίων που ευθύνονται για μια ασθένεια εξαπλώνεται σε μια δεδομένη κοινότητα.

Ο λυσογόνος κύκλος

(Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Οι εύκρατοι φάγοι ακολουθούν έναν ελαφρώς διαφορετικό τρόπο αντιγραφής. Σε αυτή τη διαδικασία, το DNA του φάγου – αντί να πειράζει και να καταστρέφει το βακτηριακό DNA – ενσωματώνεται στο ίδιο το βακτηριακό DNA και γίνεται μέρος του. Το βακτηριακό κύτταρο συνεχίζει να αναπτύσσεται και να πολλαπλασιάζεται, αλλά κάθε φορά που το βακτηριακό DNA πολλαπλασιάζεται, το DNA του βακτηριοφάγου πολλαπλασιάζεται αυτόματα και μεταδίδεται σε διαδοχικές γενιές του βακτηριακού ξενιστή. Με αυτόν τον τρόπο, το DNA του φάγου υπάρχει ως μέρος εκατομμυρίων βακτηρίων.

Ιατρική πτυχή της λυσογένεσης

Τα βακτήρια που προκαλούν ασθένειες το κάνουν παράγοντας τοξίνες. Μερικά από αυτά τα βακτήρια είναι ικανά να προκαλέσουν ασθένειες και να απελευθερώνουν τοξίνες μόνο όταν φέρουν εύκρατους φάγους. Αυτό το φαινόμενο, όπου ο εύκρατος φάγος είναι σε θέση να κάνει αλλαγές στις ιδιότητες ενός βακτηρίου ξενιστή, ονομάζεται λυσογονική μετατροπή. Μερικές φορές, λόγω ορισμένων χημικών ουσιών ή ακτινοβολίας, αυτοί οι εύκρατοι φάγοι υφίστανται λύση και καταστρέφουν το βακτηριακό κύτταρο ξενιστή, μιμούμενοι το λυτικό κύτταρο. Αυτοί οι βακτηριοφάγοι που απελευθερώνονται είναι πλέον ελεύθεροι να μολύνουν άλλα βακτήρια και έτσι ο κύκλος συνεχίζεται.

Συμπέρασμα

Τα βακτήρια μας βλάπτουν και οι βακτηριοφάγοι βλάπτουν τα βακτήρια. Αν και δεν έχουμε επαρκή έρευνα για να υποστηρίξουμε την αντικατάσταση των αντιβιοτικών από βακτηριοφάγους, παρουσιάζουν ιδιότητες που τα καθιστούν πολύ ενδιαφέροντα για τον άνθρωπο. Δείχνουν μεγάλες δυνατότητες να βοηθήσουν την ανθρωπότητα δρώντας ως φυσικό συντηρητικό τροφίμων, βοηθώντας στη γενετική έρευνα, βοηθώντας στη διάγνωση και εντοπίζοντας ορισμένα βακτήρια που ευθύνονται για μια συγκεκριμένη ασθένεια στους ανθρώπους.