باکتریوفاژ | تعریف، چرخه سلولی، تحقیقات

باکتریوفاژ که فاژ یا ویروس باکتریایی نیز نامیده می‌شود، به گروهی از ویروس‌ها گفته می‌شود که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند. باکتریوفاژها به‌طور مستقل توسط فردریک دبلیو توورت در بریتانیای کبیر (1915) و فلیکس د هرل در فرانسه (1917) کشف شدند. D’Hérelle اصطلاح باکتریوفاژ را به معنای “باکتری خوار” برای توصیف توانایی باکتری‌کشی این نوع ویروس‌ها ابداع کرد. باکتریوفاژها توانایی آلوده کردن موجودات تک سلولی پروکاریوتی معروف به آرکی‌ها را نیز دارند. 

• نویسنده: محمد مهدی ثابت عهد

ویژگی‌های باکتریوفاژها:

 هزاران نوع فاژ وجود دارند که هرکدام ممکن است تنها یک نوع یا چند نوع باکتری یا آرکی باکترها را آلوده کنند. فاژها در تعدادی از خانواده‌های ویروسی طبقه بندی می‌شوند. برخی از این خانواده‌ها عبارتند از: Inoviridae، Microviridae، Rudiviridae، و Tectiviridae. مانند سایر ویروس‌های دیگر، فاژها ارگانیسم‌های ساده‌ای هستند که از هسته‌ای از مواد ژنتیکی (اسید نوکلئیک) تشکیل شده‌اند که توسط یک کپسید پروتئینی احاطه شده است. اسید نوکلئیک ممکن است DNA یا RNA باشد و ممکن است به‌صورت دو رشته‌ای یا تک رشته‌ای باشد. سه شکل ساختاری اصلی برای فاژها وجود دارد: سر ایکوسادرال icosahedral (به‌صورت 20 وجهی) با دم، سر ایکوساهدرال بدون دم و شکل رشته‌ای filamentous. 

بیشتر بخوانید: DNA PACKAGING یا بسته بندی ژنوم

چرخه زندگی باکتریوفاژها: 

در طول عفونت‌زایی توسط فاژ، فاژ ابتدا به یک باکتری متصل می‌شود و مواد ژنتیکی خود را وارد این سلول باکتریایی می‌کند. پس از آن یک فاژ، معمولاً یکی از این دو چرخه زندگی را دنبال می‌کند، چرخه لیتیک (ویرولنت) یا چرخه لیزوژنیک. فاژهای لیتیک از ابزارهای (ماشین‌های سلولی) موجود در سلول میزبان برای ساخت اجزای فاژ استفاده می‌کنند. سپس این فاژ، میزبان خود را که یک سلول باکتریایی است را از بین می‌برند یا لیز می‌کنند و ذرات فاژ جدید آزاد می‌کنند.

در فاژهای لیزوژنیک، این فاژها اسید نوکلئیک خود را به کروموزوم سلول میزبان وارد می‌کنند و با آن به‌عنوان یک واحد بدون تخریب سلول همانند سازی می‌کنند. تحت شرایط خاصی می‌توان فاژهای لیزوژنیک را وادار کرد تا یک چرخه لیتیک را دنبال کنند.

 چرخه‌های زندگی دیگر، از جمله شبه لیزوژنی و عفونت مزمن نیز وجود دارد. در شبه لیزوژنی، یک باکتریوفاژ وارد سلول می‌شود اما نه ماشین تکثیر سلولی را انتخاب می‌کند و نه به‌طور پایدار در ژنوم میزبان ادغام می‌شود. Pseudolysogeny زمانی اتفاق می‌افتد که یک سلول میزبان با شرایط رشد نامطلوب مواجه می‌شود و به نظر می‌رسد با فعال کردن حفظ ژنوم فاژ تا زمانی که شرایط رشد میزبان دوباره سودمند شود، نقش مهمی در بقای فاژ بازی می‌کند. در عفونت مزمن، ذرات فاژ جدید به‌طور مداوم در مدت زمان طولانی اما بدون کشتن سلولی ظاهر می‌شوند. 

نقش باکتریوفاژها در تحقیقات آزمایشگاهی: 

فاژها نقش مهمی در تحقیقات آزمایشگاهی داشته‌اند. اولین فاژهای مورد مطالعه آنهایی بودند که از نوع 1 (T1) تا نوع 7 (T7) تعیین شده بودند. فاژهای T-even، T2، T4 و T6 به عنوان سیستم‌های مدل برای مطالعه تکثیر ویروس استفاده شدند. در سال 1952 آلفرد دی هرشی و مارتا چیس از باکتریوفاژ T2 در آزمایشی معروف استفاده کردند که در آن نشان دادند که فقط اسیدهای نوکلئیک مولکول‌های فاژ برای همانندسازی آنها در باکتری‌ها مورد نیاز است. یعنی فاژ می‌تواند تنها با وارد کردن ماده ژنتیکی خود به درون سلول باکتری، حیات و چرخه زندگی خود را انجام دهد. نتایج آزمایش این نظریه را تایید کرد که DNA ماده ژنتیکی است. هرشی به دلیل کارش با باکتریوفاژها، در سال 1969 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کرد. او این جایزه را با زیست شناسانی به نام سالوادور لوریا و ماکس دلبروک، که آزمایشات آنها با فاژ T1 در سال 1943 (آزمایش نوسانات) نشان داد که مقاومت فاژ در باکتری‌ها، محصول جهش خود به خودی بود و پاسخ مستقیم به عوامل محیطی نبود؛ به اشتراک گذاشته شد. فاژهای خاصی مانند لامبدا، مو و M13 به‌طور گسترده‌ای در فناوری DNA نوترکیب استفاده می‌شوند. فاژ ϕX174 اولین ارگانیسمی بود که تمام توالی نوکلئوتیدی آن تعیین شد، شاهکاری که توسط فردریک سانگر و همکارانش در سال 1977 انجام شد.

بیشتر بخوانید: آشنایی با انواع پروتکل‌های PCR

در دهه 1980، بیوشیمیدان آمریکایی، جورج پی اسمیت، فناوری موسوم به نمایش فاژ را توسعه داد که امکان تولید پروتئین‌های مهندسی شده را فراهم کرد. چنین پروتئین‌هایی با ادغام قطعات DNA خارجی یا مهندسی شده در ژن فاژ III تولید شدند. ژن III پروتئینی را کد می‌کند که در سطح ویریون فاژ بیان می‌شود. بنابراین، پروتئین‌های همجوشی ژن III گرفته شده توسط فاژها، بر روی سطوح ذرات ویریون نمایش داده شدند. سپس محققان می‌توانند از آنتی‌بادی‌های توسعه‌یافته برای شناسایی قطعه پروتئین خارجی برای خالص‌سازی کشت‌های فیوژن فاژ استفاده کنند و در نتیجه توالی ژن خارجی را برای مطالعات بیشتر تقویت کنند. گرگوری پی وینتر، بیوشیمیدان بریتانیایی، متعاقباً فناوری نمایش فاژ را برای توسعه پروتئین‌های آنتی بادی انسانی اصلاح کرد. از اینچنین پروتئین‌هایی، می‌توان برای درمان بیماری‌ها در انسان با خطر کمتری برای ایجاد واکنش‌های ایمنی بالقوه خطرناک در مقایسه با آنتی بادی‌های درمانی قبلی مشتق شده از حیوانات استفاده کرد. آدالیموماب (Humira)، که برای درمان آرتریت روماتوئید استفاده می‌شود، اولین آنتی‌بادی کاملاً انسانی بود که از طریق نمایش فاژ ساخته شد که توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده تأیید شد (تأیید در سال 2002). اسمیت و وینتر به دلیل اکتشافات مربوط به نمایش فاژ، سهمی از جایزه نوبل شیمی 2018 را دریافت کردند. 

فاژ درمانی: 

بلافاصله پس از کشف فاژ، Twort و d’Hérelle شروع به استفاده از فاژها در درمان بیماری‌های باکتریایی انسانی مانند طاعون بوبونیک و وبا کردند. در آن زمان فاژ درمانی موفقیت آمیز نبود و پس از کشف آنتی بیوتیک‌ها در دهه 1940، عملاً فاژ درمانی کنار گذاشته شد. با افزایش باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، پتانسیل درمانی فاژها دوباره مورد توجه قرار گرفته است.

منابع:

https://www.khanacademy.org/science/biology/biology-of-viruses/virus-biology/a/bacteriophages

https://www.britannica.com/science/bacteriophage