Fagi v naravnih in umetnih okoljih

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 10^8 do 10^9 virusom podobnih delcev na mL aktiviranega blata. To so večinoma virusi iz družine Siphoviridae. 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, ki jih najdemo v naravi, 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 populacije mikrobov, ki so zasidrani v ekstracelularne polisaharidne substance (EPS). Povzročajo bakterijska vnetja, saj so robustni in težko razgradljivi, pri tem pa lahko pomagajo bakteriofagi. Na primer fag T7 so modificirali, da je izražal encim disperzin B, ki 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.

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.

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.