Fagi v naravnih in umetnih okoljih

Pomen bakteriofagov v naravnem okolju je v njihovi sposobnosti, da se razmnožujejo znotraj svojega gostitelja in tako vplivajo na raznolikost bakterijskih skupnosti. V človeškem telesu bakteriofagi delujejo kot zaščita pred patogenimi bakterijami. V oceanskih vodah je 4 ∙ 10³⁰ virusov, zaradi česar je to največji rezervoar bakteriofagov. Bakteriofagi v tleh vplivajo na zmožnost izmenjave hranil in simbioze med rastlinskimi koreninami in bakterijami. V umetnih okoljih je sposobnost fagov, da vplivajo na rast bakterij, izkoriščena za vrsto različnih namenov, predvsem zaradi njihove specifičnosti in možnosti genetskih modifikacij. Pri čiščenju odpadnih vod lahko s fagi vplivamo na prisotne bakterijske skupnosti in tako povečamo učinkovitost tega procesa. Industrijske uporabe fagov vključujejo nadzor patogenov, ki se prenašajo s hrano, in zmanjšanje števila problematičnih bakterij v naftni industriji. Farmacevtska uporaba fagov je trenutno omejena, vendar se bo to verjetno spremenilo, ko se bo učinkovitost antibiotikov sčasoma zmanjšala, učinkovitost in specifičnost fagov v laboratoriju pa izboljšali.

Fagi v naravnih okoljih

Fagi v morju

Oceani so eni najpomembnejših in največjih okolij na planetu, saj pokrivajo 70% zemeljske površine in zagotavljajo približno polovico svetovne proizvodnje kisika. Čeprav so raziskave razkrile, da je v oceanih izmed bioloških bitij največ bakteriofagov, za približno 60% ne poznamo taksonomskih podatkov, kar kaže na to, da je še vedno malo znanega o njihovi raznolikosti. Med tistimi, za katere so na voljo taksonomski podatki, so v zgornjih plasteh morja najbolj pogosti fagi, ki pripadajo redu Caudovirales. V red Caudovirales vključujemo fage, ki so sestavljeni iz dvojno verižne DNA in imajo rep, dalje pa red delimo na tri družine - Siphoviridae, Myoviridae in Podoviridae na podlagi razlik v morfologiji (Myoviridae imajo dolge krčljive repe, Siphoviridae imajo dolge nekrčljive repe, Podoviridae pa kratke nekrčljive repi). Vendar so na ravni genoma lahko raznolike in si ne delijo podobnosti v zaporedju DNA. Najbolj pogosti od njih so fagi Siphoviridae, ki niso omejeni na morje, ampak so značilni tudi za številne druge habitate. Tudi v globokomorskem okolju, kjer so pogoji ostrejši, prevladuje red Caudovirales, razlika od zgornjih plasteh je le v večjem številu temperatnih fagov, ki verjetno močno vplivajo na tamkajšnje bakterijske populacije.

Fagi v tleh

V primerjavi z morskim okoljem ostajajo virusi v tleh relativno malo raziskani. Študije, ki raziskujejo gostoto fagov v različnih vrstah tal na različnih geografskih lokacijah, so za oceno števila VLP (virus-like particle) uporabile epifluorescenčno mikroskopijo ali presevno elektronsko mikroskopijo. Njihovo število je približno 10⁹ na gram suhe prsti. Številčno razmerje med virusom in bakterijo (VBR) pa se bistveno razlikuje glede na vrsto tal, saj je število virusov 10 do 100-krat manjše od števila bakterij v puščavskih in kmetijskih tleh in 1000-krat večje od števila bakterij v antarktičnih tleh. Zdi se, da raznolikost virusov na različnih tleh primerno odraža ustrezno raznolikost bakterij. Ekološki pomen fagov v tleh je, podobno kot pri virusih v drugih okoljih, v njihovem vplivu na hitrost rasti bakterij in na njihovo raznolikost. Fagi vplivajo na biogeokemične lastnosti tal z nadzorom številčnosti bakterij in posledično na izmenjavo hranil, medtem ko fagi, ki se nahajajo v koreninski rizosferi, vplivajo na učinkovitost simbioze med rastlinskimi koreninami in bakterijami. Fagi v tleh se uporabljajo tudi v protokolih biokontrole, kar je elegantna alternativa tradicionalnejšim tehnikam zdravljenja rastlinskih bolezni. Ta vrsta pristopa je že uspešno uporabljena pri zatiranju bakterijskega rastlinskega patogena Dickeya solani, ki je vzrok za črno nogo in gnilobo v krompirju. Razvoj in standardizacija metodologij za pridobivanje in preučevanje virusov s tal bosta še dodatno odkrila nove priložnosti za uporabo talnih fagov.

Fagi v umetnih okoljih

Fagi v čistilnih napravah

Sodoben proces čiščenja odpadnih vod poteka preko aktiviranega blata in je največji biotehnološki proces na svetu. Problem čistilnih naprav je evtrofikacija naravnih vod; pretirano izločanje mineralov in organskih snovi, kar omogoča rast alg. Čiščenje poteka preko specifičnih bakterij zbranih v agregatih. Bakteriofagi so v aktiviranem blatu raznoliki in v velikem obsegu - med 10⁸ do 10⁹ virusom podobnih delcev na mL aktiviranega blata. To so večinoma virusi iz družine Siphoviridae (kot v morju). Danes je znano, da imajo številne bakterije v aktiviranem blatu CRISPR-Cas regijo, kar namiguje da so bile v preteklosti že okužene s fagom, torej njihova prisotnost predstavlja problem pri določanju odnosov med gostiteljsko celico in fagom, zato ni še popolnoma jasen vpliv fagov na aktivirano blato. Jasno pa je, da je biološko odstranjevanje dušika in fosforja ključen process pri preprečevanju evtrofikacije, zato fagi predstavljajo velik problem pri čiščenju odpadnih vod. V eni od raziskav so uporabili lizogeni sev Nitrosospira multiformis, ki v genomu vsebuje zapis za 2 profaga. Pod stresnimi okoliščinami, kot je nizek pH (kar je pogosto povezano z oksidacijo NH₃), je bil induciran litični cikel. Fagi so se namnožli, število bakterij je upadlo in posledično je upadla raven nitrifikacije.

Pomembno bi bilo razviti kontrolno metodo s katero bi fagi odstranjevali samo patogene bakterije v aktiviranem blatu. Te so problem zaradi proliferacije, ki vodi do nabiranja in penjenja filamentnih bakterij to pa do oslabljenega filtriranja aktiviranega blata, za kar poznamo malo uspešnih načinov obvladovanja. Največje zanimanje za učinkovito metodo se je razvilo ravno na področju fagne terapije, saj bi lahko z njihovim učinkovanjem držali nivo filamentnih bakterij pod mejo za nastanek penjenja. Genomi fagov primernih za tako metodo so bili že izolirani in sekvencirani, problem pa nastane z apliciranjem laboratorijskih pogojev na industrijske.

Fagi v laboratorijih

V laboratoriju obstaja več pristopov inženiringa fagov preko genetskih modifikacij za njihovo uporabo v okoljevarstvu, industriji in za klinično rabo. Patogeni postajajo vedno bolj odporni na antibiotike, zato je ena od možnih rešitev fagna terapija. Problem v tem je, da imajo fagi divjega tipa ozek razpon gostiteljev in okužijo malo sevov znotraj bakterijske vrste. Z modificiranjem infektivnosti pa bi lahko fage uporabili za izdelavo personaliziranih zdravil. V eni od raziskav so z uporabo kvasovk osnovali platformo za modificiranje razpona fagnih gostiteljev, ki se je izkazala za učinkovito. Zamenjali so gen gp17, ki kodira repna vlakna fagov, med dvema neparnima T fagoma T3 in T7. Rezultati pokažejo uspešno spremembo gostiteljskega seva E.Coli med fagoma brez zmanjšane litične aktivnosti faga. V nekaterih raziskavah so odkrili tudi načine, da poleg dodatnih gostiteljev fag ohrani tudi originalne.

Fage lahko v laboratorijih tudi genetsko modificiramo, da izboljšamo mehanizem antibiotikov, ali pa izkoristimo njihove encime, ki pomagajo pri razgradnji biofilmov. To so kompleksne med seboj/na površino vezane populacije mikroorganizmov, ki so vsidrane v ekstracelularne polisaharidne substance (EPS). Povzročajo bakterijska vnetja, saj so robustni in težko razgradljivi, pri tem pa lahko pomagajo bakteriofagi. V eni od raziskav so fag T7 modificirali, da je izražal encim disperzin B (dspB) za razgradnjo biofilmov preko glikozidazne aktivnosti. Fag T7 z dspB je povzočil dve velikostni stopnji večjo smrtnost E.Coli kot divji tip T7.

Prav tako se fagi lahko uporabljajo kot biosenzorji, torej kot detektorji bioloških materialov, z vstavljanjem fluorescentnih markerjev (GFP) v genom faga, ki nato okuži bakterijo. Nedavno so genetsko spremenjene fage prvič uporabili tudi za zdravljenje pri ljudeh, vendar še ni oprijemljivih dokazov za njeno delovanje. Laboratorijska prozvodnja zdravil s fagi bi lahko bila koristna predvsem za kronične in antibiotsko odporne okužbe.

Fagi v industriji

Hrana je vir mnogoterih bolezni, katerih vzrok je kontaminacija le-te s patogenimi bakterijami. Najpogosteje so to Escherichia coli, Campylobacter spp. , Salmonella enterica, in Shigella, ki bi jih z bakteriofagi lahko izločili iz hrane. Kemični konzervansi so namreč zdravju škodljivi, nekateri celo kancerogeni, pa tudi nezanesljivi. Takšen biološki nadzor škodljivcev bi bil sprejemljivejši, saj bi uničil bakterije na naraven način, ko teh ne bi bilo več prisotnih, se fagi ne bi mogli dalje razmnoževati.

Pri biokontroli s fagi sicer naletimo na precej ovir. Največji izziv predstavlja trden medij hrane, ki se močno razlikuje od tekočega fagnega koktajla, pripravljenega v laboratoriju. Tekoč medij namreč omogoča premičnost tako fagov kot bakterij in je verjetnost za njun stik visoka. Pri poskusih, ki so bili izvedeni je bil fagni koktajl nanešen na površino hrane, ki le stežka doseže tudi notranjost. Eno od ovir predstavlja tudi visokospecifičnost fagov pri izbiri gostiteljske celice in s tem ozek nabor njihovih tarč. Če je hrana kontaminirana z več različnimi patogeni, bodo fagi delovali le na določene in bili tako neučinkoviti pri pobijanju ostalih. Obenem se za takšen namen ne sme uporabiti temperatnih fagov, ki integrirajo lasten dedni zapis v bakterijski kromosom, pri čemer lahko pride do vnosa virulentnih in drugih neželjenih genov (npr. geni za rezistenco na antibiotike), kar lahko vodi do nastanka novih patogenih vrst. Fagi v splošnem sicer veljajo za netoksične, a vseeno obstaja verjetnost, da bi organizem zaradi specifičnih proteinov sprožil imunski odziv, zato bi moral biti genom vsakega uporabljenega faga tudi sekvenciran.

Pogosto so fagi prisotni v proizvodnji mlečnih izdelkov, kjer LAB (lactic acid bacteria) z laktozno fermentacijo proizvajajo mlečno kislino. Prisotnost bakteriofagov negativno vpliva na ta proces, zgodnejših fazah fermentacije namreč povišajo pH, vplivajo na nastanek visoke koncentracije presežkovne laktoze, ki je idealno gojišče za rast mnogih bakterij, in povzročijo nezadostno koncentracijo mlečne kisline. Fagi so odporni na visoke temperature, ki jih dosežejo pri postopku pasterizacije, zato je pristop reševanja tega problema usmerjen predvsem v preventivno preprečevanje kontaminacje z dezinfekcijo in rotacijo bakterijskih kultur.

Fagi v farmaciji

Trenutni razvoj za uporabo bakteriofagov v farmacevtiki je usmerjen v zdravljenje vnetij epitelija z zdravili v obliki mazil. Sredstva takšnih viskoznosti so homogena in konsistentna, zato lahko omogočijo enakomerno učinkovanje. Na stabilnost takšnih mazil vplivajo temperatura okolja, ta je najprimernejša pri 4°C, ionska narava mazil, najbolj optimalna sprostitev fagov iz veziklov je opazna v neionskih formulacijah, nujna pa je tudi nizka izpostavljenost UV svetlobi.

Večji izziv predstavljajo vnetja znotraj telesa oziroma transport fagov do njih in imunološki odziv organizma nanje. Za dostavo fagov do tarčnega mesta fage shranijo v vezikle, ki na mestu infekcije sprostijo svojo vsebino. Pri tem je potrebno zagotoviti rezistentnost na nizek pH v želodcu in obenem celovito ohranjeno strukturo fagov, kar je lahko zaradi njihove velikosti precej problematično.

Z raziskovanjem odziva prirojenega imunskega sistema na bakteriofage se je ukvarjala ena od raziskav. Prirojen imunski sistem se nespecifično odzove na tujke, ki vsebujejo PAMP (pathogen-associated molecular patterns) in jih prepoznajo PRR in TLR, val reakcij pa sproži imunski odziv. S fagi F8 so ciljali bakterije rodu Pseudominas, pri tem pa fagne delce označili z GFP. Ker se fagi razmnožujejo znotraj bakterij, je odziv prirojene imunosti nanje težko sledljiv, zato v eni od miši sprožijo sistemski vnetnostni odzivni sindrom (SIR) s pomočjo lipopolisaharidov. V teh miših je prišlo najprej do primarnega imunskega odziva s protitelesi IgM, pri katerem je koncentracija fagov nekoliko upadla, temu pa je sledil sekundarni odziv z IgG, po katerem fagov v krvi in celicah ni billo več prisotnih. Kadar torej organizem sproži imunski odziv zaradi bakterij, zdravljenje s fagi ne bi bilo primerno.

Viri

Batinovic, S., Wassef, F., Knowler, S. A., Rice, D., Stanton, C. R., Rose, J., Tucci, J., Nittami, T., Vinh, A., Drummond, G. R., Sobey, C. G., Chan, H. T., Seviour, R. J., Petrovski, S. in Franks, A. E. Bacteriophages in Natural and Artificial Environments. Pathogens. 2019, 8(3), 100.

Gregory, A. C., Zayed, A. A., Conceição-Neto, N., Temperton, B., Bolduc, B., Alberti, A., Ardyna, M., Arkhipova, K., Carmichael, M., Cruaud, C., Dimier, C., Domínguez-Huerta, G., Ferland, J., Kandels, S., Liu, Y., Marec, C., Pesant, S., Picheral, M., Pisarev, S. in Wincker, P. Marine DNA Viral Macro- and Microdiversity from Pole to Pole. Cell. 2019, 177(5), 1109–1123.

Ando, H., Lemire, S., Pires, D. P., in Lu, T. K. Engineering Modular Viral Scaffolds for Targeted Bacterial Population Editing. Cell systems. 2015, 1(3), 187–196.

Hodyra-Stefaniak, K., Miernikiewicz, P., Drapała, J. et al. Mammalian Host-Versus-Phage immune response determines phage fate in vivo. Sci Rep 5, 14802 (2015)