Τι Είναι οι Βακτηριοφάγοι;
Οι βακτηριοφάγοι (ή αλλιώς φάγοι) είναι ιοί που προσβάλλουν και καταστρέφουν βακτηριακά κύτταρα. Oι φάγοι αποτελούν φυσικούς εχθρούς των βακτηρίων και συνιστούν τις πιο άφθονες βιολογικές οντότητες στον πλανήτη. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται ότι υπάρχουν περισσότερα από 10³¹ σωματίδια φάγων στη βιόσφαιρα, ενώ εκτιμάται ότι πραγματοποιούνται περίπου 10²³ μολύνσεις από φάγους κάθε δευτερόλεπτο παγκοσμίως.
Οι βακτηριοφάγοι, όπως όλοι οι ιοί, δρουν ως υποχρεωτικά ενδοκυτταρικά παράσιτα. Δεν μπορούν να πολλαπλασιαστούν χωρίς να εισέλθουν σε ένα ζωντανό κύτταρο και συνεπώς εξαρτώνται από τους μηχανισμούς του ξενιστή για να πολλαπλασιαστούν. Με σκοπό την παραγωγή νέων ιικών σωματιδίων, εισβάλλουν στα βακτήρια και αξιοποιούν το ενδοκυττάριο σύστημα για να συνθέσουν τα συστατικά τους.
Που Συναντάμε τους Βακτηριοφάγους στην Φύση;
Συναντάμε τους φάγους σχεδόν σε κάθε γνωστό μικροβιακό οικοσύστημα του πλανήτη που υπάρχουν βακτήρια, όπως στο θαλάσσιο και γλυκό νερό, στο έδαφος, στους οργανισμούς και στη ριζόσφαιρα των φυτών. Ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις τους υπάρχουν σε υδάτινα περιβάλλοντα, όπως οι ωκεανοί, όπου ο αριθμός τους μπορεί να φτάσει τα 10⁴ έως 10⁷ σωματίδια ανά mL θαλασσινού νερού.
Σύντομη Ιστορική Αναδρομή – Χρονολόγιο Ανακάλυψης και Χρήσης Βακτηριοφάγων
Αρχαιότητα:
Υπάρχουν ενδείξεις για χρήση των ποταμίσιων υδάτων για τη θεραπεία μολυσματικών ασθενειών, πιθανώς λόγω της παρουσίας βακτηριοφάγων.
1896:
Ο Ernest Hankin παρατηρεί ότι νερά από τους ποταμούς Γάγγη και Jumna στην Ινδία αναστέλλουν την ανάπτυξη του βακτηρίου Vibrio cholerae.
1898:
Καταγράφουν αρόμοιες αντιβακτηριακές παρατηρήσεις και για το βακτήριο Bacillus subtilis.
1915:
Οι επιστήμονες επιβεβαιώνουν την ύπαρξη αντιβακτηριακού παράγοντα και έναντι του Staphylococcus aureus.
1917:
Ο Félix d’Herelle τεκμηριώνει την ύπαρξη ενός ιογενούς παράγοντα που προκαλεί λύση βακτηρίων δυσεντερίας και εισάγει τον όρο «βακτηριοφάγος».
1917:
Οι γιατροί εφαρμόζουν την πρώτη τεκμηριωμένη θεραπευτική χρήση βακτηριοφάγων σε άνθρωπο, σε 12χρονο αγόρι με βακτηριακή δυσεντερία στο Παρίσι.
1923:
Ίδρυσαν στην Τιφλίδα το Διεθνές Ινστιτούτο Βακτηριοφάγων, συμβάλλοντας συστηματικά στη μελέτη και εφαρμογή της φαγοθεραπείας.
1939:
Οι ερευνητές επιβεβαιώνουν την ιογενή φύση των βακτηριοφάγων οριστικά με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.
1940–1950:
Η ευρεία διάδοση των αντιβιοτικών (π.χ. πενικιλίνη) οδηγεί στη σταδιακή εγκατάλειψη της φαγοθεραπείας στη Δύση, ενώ η έρευνα συνεχίζεται κυρίως στην Ανατολική Ευρώπη και τη Σοβιετική Ένωση.
1950:
Χρήση βακτηριοφάγων ως εργαλεία στη μοριακή βιολογία, κυρίως για τη μελέτη γονιδιακών μηχανισμών.
1977:
Γίνεται αλληλούχηση του πρώτου γονιδιώματος βακτηριοφάγου (φX174), ανοίγοντας τον δρόμο για τη μοριακή ανάλυση των φάγων.
1980:
Αναζοπύρωση ενδιαφέροντος για τους βακτηριοφάγους ως θεραπευτικά αντιβακτηριακά στη Δύση.
2006:
Ο FDA εγκρίνει τη χρήση κοκτέιλ βακτηριοφάγων σε προϊόντα κρέατος για την πρόληψη λοιμώξεων από Listeria monocytogenes.
2016:
Δημοσίευση κλινικών περιστατικών εξατομικευμένης φαγοθεραπείας, με επιλογή συγκεκριμένων βακτηριοφάγων για τη θεραπεία συγκεκριμένων λοιμώξεων.
Κύκλος Ζωής Βακτηριοφάγων
Όπως προαναφέραμε, οι φάγοι χρησιμοποιούν τους μεταβολικούς και μοριακούς μηχανισμούς του ξενιστή που προσβάλλουν. Μετά την είσοδό τους σε ένα βακτηριακό κύτταρο, οι φάγοι ακολουθούν μία από δύο στρατηγικές μόλυνσης: τη λυτική ή τη λυσιγονική. Στην πρώτη περίπτωση οι φάγοι αναπαράγονται γρήγορα οδηγώντας στην καταστροφή του βακτηρίου, ενώ στην δεύτερη μένουν αδρανείς και το γενετικό υλικό τους διπλασιάζεται αργά όσο το βακτήριο διαιρείται.
Βακτηριοφάγοι και η Σημασία τους
Η κατανόηση της βιολογίας και της ιστορίας των βακτηριοφάγων εξηγεί γιατί η επιστημονική κοινότητα έχει αναζωπυρώσει το ενδιαφέρον της για αυτούς τα τελευταία χρόνια.
Οι βακτηριοφάγοι έχουν μεγάλη οικολογική σημασία ως αποτέλεσμα της ικανότητάς τους να ρυθμίζουν τον πληθυσμό των βακτηρίων μέσω της λυτικής δράσης τους. Αυτός ο ρόλος ελέγχου βοηθάει στη σταθερότητα και τη διατήρηση της βιοποικιλότητας των μικροβιακών κοινοτήτων. Επιπλέον, δρουν ως μοριακοί ρυθμιστές, επιταχύνοντας την κυκλοφορία θρεπτικών στοιχείων (άζωτο, φώσφορος, διοξείδιο του άνθρακα) και έχουν την ικανότητά να μεταφέρουν γονίδια μεταξύ των βακτηρίων (π.χ. τοξίνες ή γονίδια ανθεκτικότητας).
Ύψιστης σημασίας είναι η προοπτική αξιοποίησής τους ως αντιμικροβιακά εργαλεία στη λεγόμενη φαγοθεραπεία, δηλαδή στη χρήση φάγων για τη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων. Σε αντίθεση με τα αντιβιοτικά, οι φάγοι μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένα βακτήρια (υψηλή επιλεκτικότητα) χωρίς να επηρεάζουν τη φυσιολογική μικροχλωρίδα. Έτσι, προσφέρουν μια ελκυστική λύση για την αντιμετώπιση πολυανθεκτικών λοιμώξεων.
Παράλληλα οι βακτηριοφάγοι και οι πρωτεΐνες τους λειτουργούν ως μοριακά εργαλεία. Οι επιστήμονες τους χρησιμοποιούν ως διαγνωστικούς και θεραπευτικούς παράγοντες, αλλά και στην ανακάλυψη νέων φαρμάκων. Τέλος, αποτελούν πολύτιμα εργαλεία σε τομείς όπως η γεωργία, η κτηνοτροφία, η βιομηχανία τροφίμων, η περιβαλλοντική βιοτεχνολογία και οι υδατοκαλλιέργειες.
Βιβλιογραφία
- Hatfull, G.F., & Hendrix, R.W. (2011). Bacteriophages and their genomes. Current Opinion in Virology, https://doi.org/10.1016/j.coviro.2011.06.009 1(4), 298–303.
- Daubie, V., et al. (2022). Phages and Their Applications in Biotechnology. Frontiers in Microbiology, https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.867123 13, 867123.
- Weitz, J. S., Beckett, S. J., Brum, J. R., Cael, B. B., & Dushoff, J. (2021). Lysis, lysogeny, and virus-microbe ratios. Annual Review of Virology, 8(1), 1–20. https://doi.org/10.1146/annurev-virology-091919-075914
- Wichels, A., et al. (1998). Bacteriophage diversity in the North Sea. Applied and Environmental Microbiology, 64(11), https://doi.org/10.1128/AEM.64.11.4128-4133.1998
- Golkar, Z., Bagasra, O., & Pace, D.G. (2014). Bacteriophage therapy: a potential solution for the antibiotic resistance crisis. The Journal of Infection in Developing Countries, 8(2), 129–136. https://doi.org/10.3855/jidc.3573
- Nelson, D.C. (2004). Phage therapy revisited: the potential of phages to combat antibiotic-resistant bacteria. Trends in Microbiology, 12(3), 111–117. https://doi.org/10.1016/j.tim.2004.01.006
