Bakteriofagi

Wikipedia

T4 bakteriofagi, joka on keinotekoisesti värjätty punaiseksi. Fagi on juuri hyökkäämässä bakteerisoluun, joka on värjätty sinineksi. Fagin iso "pää" sisältää sen geneettisen materiaalin.

Bakteriofagi, useimmiten pelkästään fagi (tai faagi), on virus, jonka kohteina ovat bakteerit. Eniten tutkimuksessa käytettyjä bakteriofageja ovat bakteriofagi λ sekä T4 (kts. kuva). Fagit rakentuvat ikosahedraalisesta proteiinikuoresta, joka ympäröi sisällä olevaa DNA:ta, tai eräiden yksinkertaisempien fagien kohdalla, RNA:ta. Tyypillisen DNA-fagin kromosomi sisältää n. 50 geeniä (5-500 kBp), jotka koodaavat mm. fagin osia, sekä proteiineja, joiden avulla fagi lamaannuttaa isäntäbakteerisolun. Fagilla on myös proteiinista koostuva rakenne, jolla se kiinnittyy bakteeriin ja injektoi, eli syöttää sisään DNA:nsa (tai RNA:nsa). Fagit ovat kooltaan n. 20 - 200 nm (vertaa Escherichia coli bakteeriin, joka on kooltaan n. 0.5 $μ$ m x 0.5 $μ$ m x 2.0 $μ$ m = 500 nm x 500 nm x 2000 nm) .

Fagit ovat erittäin laajalti levinneitä ja niitä voi löytää eritoten maaperästä tai eläinten suolista. Yksi tihein fagien (ja muiden virusten) esiintymisalue on merivesi, jossa jopa 109 viruspartikkelia on löydetty millilitrassa pintavettä. N. 70% vedessä elävistä bakteereista kokeekin fagi-infektion ^[1].

Sisällysluettelo

1 Bakteriofagien rakenne
2 Bakteriofagien elämänsykli
3 Bakteriofagien sovellukset
4 Bakteerien puolustusmekanismit fageja vastaan
5 Lähteet

[muokkaa] Bakteriofagien rakenne

T4 bakteriofagin rakenne. Osaset kokoontuvat valmiiksi fagiksi täysin spontaanisti.

Bakteriofagien rakenne on hyvin symmetrinen. Päärakenne on ikosaedraalisesti symmetrinen, kun taas keski- ja alaosat noudattavat lieriömäistä symmetriaa. Tämä rakenne löytyy T-parillisista fageista, sekä kolifageista (eli Coli-lajia infektoivista fageista). Muita fagimuotoja on kuitenkin havaittu, esimerkiksi fagiperhe Inoviridae on pitkä ja kuitumainen, kun taas Cystoviridae perheen fagit ovat pallomaisia muodoltaan.

Fagit, kuten useat eukaryoottien virukset, kokoontuvat spontaanisti osasistaan. Tämä on luultavasti mahdollista korkeasti symmetrisen, mutta kuitenkin melko yksinkertaisen rakenteen ansiosta. Riittää, että solun proteiinisynteesi kaapataan tuottamaan fagin osasia, jotka sitten kokoontuvat itsestään uusiksi fageiksi (kts. fagien elämänsykli alla).

[muokkaa] Bakteriofagien elämänsykli

Fagi lähestyy solua, kiinnittyy sen pintaan ja injektoi geneettisen materiaalinsa soluun. Fagin proteiinikuori ja -osaset eivät päädy soluun sisälle. Tästä eteenpäin bakteriofagi yleisesti omaksuu toisen kahdesta eri linjasta: lysogenisen tai lyyttisen .

Ensimmäisessä fagin kromosomi liittyy bakteerin kromosomiin paikkaspesifisellä rekombinaatiolla. Esimerkiksi bakteriofagi λ:n kromosomilla liittymiskohtana toimii attP-niminen DNA-jakso, ja sen kohteella E. Colilla attB. Fagin DNA voi säilyä nukuksissa isännän kromosomissa tuhansia sukupolvia. Fagista käytetään tällöin nimitystä profagi. Irtautuminen tapahtuu esimerkiksi UV-valon seurauksena (UV tunnetusti hajoittaa DNA:ta), mutta sitä voi estää (aiheuttaa) myös tietyt proteiinit, joiden inaktivointi (aktivointi) johtaa fagin kromosomin irtautumiseen. Tästä eteenpäin bakteerin kohtalo on sama, kuin lyyttisessä reaktiotiessä.

Lyyttisessä tapahtumakulussa fagin kromosomia monistetaan ja solun proteiinisynteesikoneisto alkaa tuottaa fagin osasia. Nämä kokoontuvat, kunnes solu on niin täynnä fageja, että se räjähtää auki vapauttaen vastatuotetut fagit infektoimaan uusia bakteereja. Yleensä 1 fagi-infektio johtaa 50-200 uuden fagin tuotantoon, sekä yli kahden fagin infektiot samaan soluun ovat erittäin harvinaisia.

[muokkaa] Bakteriofagien sovellukset

Bakteriofageista on viimeisien parin vuosikymmenen aikana kehittynyt tärkeitä genetiikan työkaluja:

Bakteriofageja voidaan käyttää tappamaan bakteereita hyvin spesifisesti. Bakteriofagien käyttö antibiootteina on uusi ala, joka kehittyy paraikaa. Tähän mennessä perinteiset antibiootit ovat kuitenkin osoittautuneet käytännöllisemmiksi. Fagien suurin hyöty on kuitenkin, että bakteerit eivät voi kehittää vastustuskykyä niille yhtä tehokkaasti kuin lääkkeellisille antibiooteille, koska fagit adaptoituvat siinä missä bakteeritkin. Tämä kilpajuoksu on jatkunut miljoonien vuosien ajan, joten bakteerien pysyvä resistanssi fageja vastaan on epätodennäköinen. Fagit ovat myös tehokkaita bakteerien tappajia. Kun sopiva fagi löytyy tietylle bakteerille, se jatkaa, kunnes kaikki, tai ainakin erittäin suuri osa bakteereista on kuollut. Fagit ovat spesifisiä tietyille bakteereille, joten bakteerikanta pitää ensiksi tunnistaa. Toisinaan käytetään myös fagiseosta. Etu on bakteerien spesifinen kuoleminen, mutta tämä ei ole riittävä infektioissa, joissa vaikuttavat useat eri bakteerilajit. Kehon immuunijärjestelmä hyökkää myös fageja vastaan.

Fagit toimivat parhaiten, kun ne pääsevät suoraan kosketukseen infektion kanssa, joten ne levitetään suoraan haavalle. Tämä on kuitenkin harvoin käytännöllistä. Huolimatta yksittäisistä onnistumisista mm. entisessä Neuvostoliitossa, fagiterapian tehokkuudesta ei ole mitään varmuutta. Mitään laajoja kliinisiä testejä ei myöskään ole suoritettu.

Fageja voidaan käyttää DNA:n kloonaukseen. Vaikka plasmidit ovat erinomaisia DNA:n kloonaamiseen, niitä ei voi käyttää yli 10 kbp:n rihmoille. Bakteriofagi λ:n DNA mahdollistaa kiertotien tämän ongelman ylitse. Sen genomista poistetaan keskeltä osa, joka ei ole tärkeä uusien fagien luomisessa. Sen tilalle liitetään vieras DNA, joka halutaan kloonata. Fagien annetaan sitten infektoida E. Coli -bakteereja, jotka hoitavat DNA:n kloonauksen.

Geenikirjastot. Jos haluamme kloonata koko (ulkopuolisen) genomin, hajoitamme sen osiin ja rakennamme fageista kloonialtaan, joka on tarpeeksi iso, jotta kaikkia mahdollisia fragmentteja on sisällytetty. Fagien annetaan infektoida alttiita bakteereita petrimaljalla, jolloin muodostuvat plankit, eli tyhjät alueet, joilta fagit ovat tappaneet bakteerit, sisältävät moninkerroin kopioituna tiettyä DNA-jaksoa, jonka kyseinen fagi sattui sisältämään. Yksi fagi riittää luomaan silminhavaittavan plankin.

Fagit hoitavat myös osan bakteerien välisestä geneettisen materiaalin vaihtamisesta. Bakteerit eivät lisäänny seksuaalisesti, eli ne eivät läpikäy meioosia, joka loisi geneettistä variaatiota. Kuitenkin bakteerit pystyvät adaptoitumaan uusiin ympäristöllisiin haasteisiin, eli kehittymään evolutionaarisesti. Kun fagi-virus kokoontuu osistaan bakteerin sytoplasmassa, saattaa se vahingossa sisällyttää myös bakteerin omaa DNA:ta sisälleen. Tämä DNA kulkeutuu sitten fagin mukana seuraaviin bakteereihin ja se saattaa tehdä fagista myös tehottoman, eli seuraava bakteeri ei kuolekaan. Tätä kutsutaan yleiseksi transduktioksi. Kun profagin kromosomi leikataan irti bakteerin kromosomista, saattaa se viedä mukanaan bakteerin geenejä, jotka sijaitsevat fagin kromosomin vieressä bakteerin DNA:lla. Tätä kutsutaan erikoiseksi transduktioksi.

Fagit myös tarjosivat lopullisen todisteen, että DNA on solun informaatiomolekyyli. Radioaktiivisella fosforilla merkitty fagin DNA aiheutti radioaktiivisen fosforin löytymisen bakteerisolujen sisältä infektioiden jälkeen. Mm. radioaktiivisella rikillä merkityt fagiproteiinit eivät kuitenkaan päätyneet solun sisälle. Tämä osoitti, että DNA on geneettisen informaation sisältävä molekyyli.

[muokkaa] Bakteerien puolustusmekanismit fageja vastaan

Puolustautuakseen fageilta, bakteerit tuottavat endonukleaasi-proteiineja, jotka pilkkovat DNA:ta tietystä emäsjaksosta. Eri endonukleaaseilla on oma spesifinen kohdejaksonsa. Näillä bakteerit pyrkivät tekemään fagin kromosomista kelvottoman, jolloin fagin hyökkäys epäonnistuu. Suojatakseen oman DNA:nsa endonukleaaseilta, bakteerit lisäävät metyyliryhmiä suojaamaan endonukleaasien kohdejaksoja, jolloin ne eivät pilko bakteerin omaa DNA:ta.