باکتریوفاژ

• تعریف باکتریوفاژ
• ساختار
• چرخه زندگی
• کاربردها
• فاژ درمانی

تعریف باکتریوفاژ

باکتریوفاژ یا فاژ ویروسی است که فقط در داخل بدن باکتری ها را آلوده و تکثیر می کند. باکتریوفاژها به طور مستقل توسط Frederick W. Twort در بریتانیا و Félix d’Hérelle در فرانسه کشف شدند. اصطلاح “باکتریوفاژ” از دو کلمه مشتق شده است. “باکتری” و “فاژین” به معنای بلعیدن. این اصطلاح توسط Félix d’Hérelle ابداع شد. اینها در سراسر جهان در محیط های مختلف یافت می شوند و حتی به عنوان یکی از فراوان ترین عوامل بیولوژیکی روی زمین شناخته می شوند. اینها فراوان ترین ذرات بیولوژیکی در آب و دومین جزء فراوان زیست توده در خشکی پس از پروکاریوت ها هستند. باکتریوفاژهایی که باکتری ها را آلوده می کنند می توانند اعضای دامنه Archaea را نیز آلوده کنند.

باکتریوفاژها از نظر اندازه شکل و سازماندهی ژنومی بسته به نوع باکتریایی که آلوده می‌کنند متفاوت هستند، اما ترکیب اصلی آنها یکسان است. همه باکتریوفاژها از یک ژنوم اسید نوکلئیک تشکیل شده اند که در داخل پوسته ای از پروتئین های کپسید کدگذاری شده با فاژ محصور شده است. ساختار سر فاژهای مختلف ممکن است متفاوت باشد، اندازه فاژها بین 24 تا 200 نانومتر طول دارد.شکل، اندازه و ساختار باکتریوفاژهای مختلف بسته به نوع باکتریوفاژها متفاوت است.

مطالعات بر روی باکتریوفاژها در طول سال ها افزایش یافته است، زیرا دامنه کاربرد آنها افزایش یافته است. توانایی فاژها برای آلوده کردن و احتمالاً کشتن عوامل باکتریایی عفونی، پتانسیل آنها را به عنوان یک مکمل یا جایگزین احتمالی برای عوامل آنتی بیوتیک مطرح می کند. مکانیسم عفونت باکتریوفاژها در جایی که ابتدا به سلول میزبان متصل می شوند و ژنوم خود را وارد سلول میزبان می کنند تا ماشین سلولی میزبان را به حالت تعلیق درآورند تقریباً یکسان است.

ساختار Bacteriophage

اگرچه بسته به نوع و گروه باکتری ها انواع مختلفی از فاژها وجود دارد، اما آنها را آلوده می کنند، اما همه فاژها برخی از ویژگی ها یا خواص مشترک دارند. برخی از این ویژگی ها یا خواص باکتریوفاژها عبارتند از:

1. مانند همه ویروس های دیگر، باکتریوفاژها نیز نسبت به سلول میزبان خود بسیار خاص گونه هستند. باکتریوفاژها فقط یک گونه از باکتری ها یا حتی گونه های خاصی از باکتری ها را در یک گونه آلوده می کنند.
2. ساختار اصلی همه باکتریوفاژها یکسان است. آنها از هسته ای از مواد هسته ای تشکیل شده اند که توسط یک کپسید پروتئینی احاطه شده است.
3. باکتریوفاژها به سه شکل ساختاری اساسی وجود دارند. سر ایکوس وجهی با دم، سر ایکو وجهی بدون دم و شکل رشته ای.
4. ماده ژنتیکی یا ماده هسته ای باکتریوفاژها می تواند DNA یا RNA باشد که هر دو می توانند دو رشته ای یا تک رشته ای باشند.
5. باکتریوفاژها انگل های داخل سلولی اجباری هستند که در خارج از سلول میزبان نهفته می مانند و برای انجام فعالیت های متابولیکی خود به ماشین های سلولی میزبان نیاز دارند.
6. مانند باکتری ها، باکتریوفاژها نیز بسته به مورفولوژی و مواد ژنتیکی به ردیف ها و خانواده های مختلف طبقه بندی می شوند. برخی از خانواده های رایج مورد مطالعه عبارتند از: Inoviridae، Tectiviridae، Microviridae و Rudiviridae.

مدل ها یا انواع باکتریوفاژ

1- فاژ λ

• فاژ لامبدا یا کولیفاژ λ یک باکتریوفاژ است که باکتری های متعلق به اعضای گونه باکتری اشرشیا کلی (E. coli) را آلوده می کند.
• فاژ لامبدا در ابتدا توسط استر لدربرگ در سال 1951 در ایالات متحده در طی مطالعاتش بر روی E. coli تحت تابش اشعه ماوراء بنفش کشف شد.
• متعلق به خانواده Siphoviridae از راسته Caudovirales است که با فقدان پوشش، دم غیر قابل انقباض و یک مولکول DNA دو رشته ای خطی تعریف می شود.
•  ویروس های لامبدا برای اهداف مختلف برای درک سبک زندگی لیتیک و لیزوژنیک ویروس های مختلف و همچنین به عنوان ویروس های مدل برای مطالعات ویروسی مورد مطالعه قرار گرفته اند.
• این ویروس یک چرخه زندگی معتدل دارد که به آن امکان می‌دهد یا وارد فاز لیتیک شود یا از طریق لیزوژنی در داخل ژنوم میزبان ساکن شود.
• ساختار ذره فاژ از یک سر پروتئین یا کپسید، یک دم غیر قابل انقباض و الیاف دم تشکیل شده است. ژنوم ویروس در داخل کپسید ویروس وجود دارد.
• دم غیر انقباضی ویروس نشان می دهد که ویروس نمی تواند به غشای سلولی باکتری وارد شود و باید به مسیرهای موجود برای حمله به سلول میزبان وابسته باشد.
•  این ویروس شامل 12-14 نوع مختلف پروتئین است که از بیش از 1000 مولکول پروتئین و یک مولکول DNA در سر فاژ تشکیل شده است.

2- فاژ T4

• ویروس T4 یک باکتریوفاژ است که اعضای گونه باکتری اشریشیا کلی را آلوده می کند و بنابراین به عنوان ویروس اشریشیا T4 نیز شناخته می شود.
• این ویروس یکی از هفت کلیفاژ Escherichia (نام T1-T7) است که توسط دلبروک و همکارانش در سال 1944 به عنوان مدل هایی برای مطالعه مکانیسم های مختلف جامعه فاژ کشف شد.
•  باکتریوفاژ T4 بر اساس وجود سر بدون پوشش و دم منقبض به راسته Caudovirales از خانواده باکتریوفاژها Myoviridae تعلق دارد.
• ساختار باکتریوفاژ T4 از یک کپسید پروتئینی به نام سر تشکیل شده است که از یک مولکول DNA دو رشته ای خطی تشکیل شده است.
• در انتهای دم یک دم انقباضی به طول 925 و قطر 520 اینچ وجود دارد که به یک پورتال مخصوص در پایه سر متصل شده است.
• شش رشته دم کوتاه از صفحه پایه بیرون می‌آیند که می‌توانند مولکول‌های گیرنده روی سطح میزبان را تشخیص دهند.
• ویروس های T-even باکتریوفاژ از متداول ترین گروه های مورد مطالعه و تحقیق از باکتریوفاژها هستند که در عوامل مختلف نیز مشابه یکدیگر هستند.
• اینها همچنین یکی از بزرگترین و پیچیده ترین گروه های ویروس های باکتریایی هستند زیرا ترکیب ژنتیکی آنها از حدود 300 ژن مختلف تشکیل شده است.

چرخه زندگی باکتریوفاژ

ویروس ها برای تولید مثل وارد سلول میزبان می شوند که طی آن ویروس به اشکال مختلف عفونت سلول میزبان را منجر می شود. فرآیند کلی ورود ویروس، تکثیر آن و خروج از سلول میزبان، چرخه حیات ویروس ها را تشکیل می دهد. باکتریوفاژها، مانند همه ویروس‌های دیگر، مسیر مشابهی را دنبال می‌کنند که در آن ویروس برای تکثیر وارد سلول میزبان باکتریایی می‌شود. دو نوع چرخه زندگی وجود دارد که در مکانیسم تکثیر DNA متفاوت است، در یکی، DNA ویروسی در DNA میزبان گنجانده می شود، اما در دیگری، DNA جدا از DNA میزبان تکثیر می شود. این چرخه های زندگی ممکن است به طور مستقل یا جایگزین در انواع مختلف باکتریوفاژها رخ دهند.

1- چرخه لیتیک

چرخه لیتیک یکی از دو چرخه زندگی باکتریوفاژها است که در آن DNA ویروسی به عنوان یک مولکول شناور آزاد باقی می ماند و جدا از DNA باکتری تکثیر می شود. چرخه لیتیک معمولاً در فاژهای بدخیم رخ می دهد زیرا فاژها منجر به تخریب غشای سلولی آلوده در طول رهاسازی ذرات ویروسی می شوند. چرخه لیتیک یک عفونت بدخیم است زیرا منجر به تخریب یک سلول می شود.

a. اتصال و نفوذ

• اولین مرحله در چرخه زندگی یک باکتریوفاژ اتصال است، جایی که لیگاندهای روی مولکول‌های خاص روی سطح ذرات ویروسی به مولکول‌های گیرنده روی غشای پلاسمایی سلول میزبان متصل می‌شوند.
• گیرنده‌ها به نوع ویروس‌ها بستگی دارند، زیرا اکثر ارتومیکسوویروس‌ها از گیرنده‌هایی مانند اسید سیالیک پایانی در زنجیره جانبی الیگوساکارید یک گلیکوپروتئین سلولی استفاده می‌کنند.
• با این حال، لیگاند یک روزنه در انتهای دیستال هر مونومر گلیکوپروتئین هماگلوتینین ویروسی تریمریک است.
• حتی اگر درجه بالایی از ویژگی بین گیرنده ها و لیگاندها وجود دارد، تعدادی از ویروس ها ممکن است از گیرنده های مشابهی استفاده کنند.
• علاوه بر این، برخی از باکتریوفاژها ممکن است از گلیکوپروتئین های غشایی دیگر به عنوان گیرنده خود استفاده کنند.
• پس از اتصال، ویروس مواد هسته ای خود را به سیتوپلاسم سلول باکتری تزریق می کند.
• ژنوم ویروس (اعم از DNA یا RNA) در سیتوپلاسم باقی می ماند و در برخی موارد دایره ای می شود و شبیه پلاسمید باکتری می شود.

b. بیوسنتز و رونویسی

• هنگامی که ژنوم ویروسی در سیتوپلاسم قرار می گیرد، مکانیسم سلولی میزبان را ربوده و از آن برای تولید ویروس های بیشتری استفاده می کند.
• در مورد ویروس های DNA، DNA برای تولید RNA پیام رسان رونویسی می شود که سپس ریبوزوم سلول میزبان را هدایت می کند.
• در مورد چرخه لیتیک، mRNA برای پلی پپتیدهای مختلف رمزگذاری می کند که اولین آنها DNA میزبان را از بین می برد.
• در مورد ویروس های RNA، آنزیمی به نام ترانس کریپتاز معکوس درگیر است که RNA ویروس را به DNA رونویسی می کند.
• سپس DNA به mRNA رونویسی می شود، که سپس تخریب DNA میزبان را هدایت می کند.
• سپس DNA ویروسی کنترل سلول میزبان را به دست می‌گیرد و پروتئین‌های مختلف مورد نیاز برای مونتاژ ویروس‌های جدید را تولید می‌کند.
• DNA ویروسی نیز برای تولید مواد ژنتیکی بیشتر برای ذرات ویروسی جدید تحت تکثیر قرار می گیرد.
• فرآیند بیوسنتز و تکثیر DNA توسط ژن ها و آنزیم های مختلف انجام می شود.

c. سرهم شدن و لیز شدن

• با ادامه بیوسنتز و تکثیر، تعداد زیادی پروتئین و ژنوم ویروسی تشکیل می شود.
• هنگامی که ذرات ویروسی به اندازه کافی تشکیل و بالغ شدند، این ذرات تحت مونتاژ قرار می گیرند که طی آن مواد ژنتیکی ویروس در پروتئین ویروسی، کپسید، ترکیب می شود.
• باکتریوفاژهای تازه مونتاژ شده آنزیم لیزین را در سیتوپلاسم آزاد می کنند. این آنزیم باعث لیز دیواره سلولی باکتری می شود و در نتیجه ذرات فاژ تازه تشکیل شده آزاد می شود.
• بنابراین، در پایان چرخه زندگی لیتیک، سلول باکتریایی و غشای سلولی آلوده از بین می روند.

2. چرخه لیزوژنیک

لیزوژنیک یکی از دو چرخه زندگی باکتریوفاژها است که با ادغام ژنوم باکتریوفاژ در ژنوم میزبان تعریف می شود. در طول چرخه زندگی لیزوژنیک، باکتری میزبان پس از تکثیر باکتریوفاژها به زندگی و تولید مثل عادی ادامه می دهد. ماده ژنتیکی باکتریوفاژ موجود در DNA باکتری در طول چرخه زندگی لیزوژنیک پروفاژ نامیده می شود که می تواند در طول تقسیم سلولی باکتری به سلول های دختر منتقل شود. چرخه لیزوژنیک یک عفونت معتدل و غیر ویروسی است زیرا باکتریوفاژ سلول میزبان را نمی کشد.

a. اتصال و نفوذ

• اولین مرحله از چرخه زندگی لیزوژنیک با مرحله اول چرخه زندگی لیتیک یکسان است.
• لیگاندهای باکتریوفاژ به گیرنده های سطح دیواره سلولی باکتری متصل می شوند.
• چسبندگی بسیار خاص است زیرا توسط برهمکنش بین لیگاندها و گیرنده های موجود در سطح دیواره سلولی باکتری مشخص می شود.
• پس از اتصال، ژنوم ویروس به سیتوپلاسم سلول میزبان تزریق می شود.
• سپس DNA یا پروفاژ ویروسی عفونی به کروموزوم میزبان وارد می‌شود که پروفاژ عفونی را به یک پروفاژ غیر عفونی تبدیل می‌کند.

b. تکثیر

• سپس DNA ویروسی از ماشین میزبان برای تکثیر استفاده می کند، همانطور که در طول تقسیم سلولی به تکثیر با کروموزوم های میزبان ادامه می دهد.
• در برخی موارد، پروفاژ ممکن است از کروموزوم میزبان خارج شود و DNA ویروسی ممکن است وارد چرخه لیتیک شود.
• برخلاف چرخه لیتیک، مکانیسم سلولی باکتری توسط ذرات ویروسی ربوده نمی شود و هیچ بیوسنتز پروتئین های ویروسی انجام نمی شود.
• با این حال، پروفاژ می تواند در طول تقسیم سلولی باکتری به سلول های دختر منتقل شود.
• روند تکثیر ادامه می یابد تا زمانی که برخی از عوامل استرس زا وجود داشته باشند که می توانند استرس های فیزیکی مانند اشعه ماوراء بنفش، شرایط کم مواد مغذی یا شیمیایی باشند که ممکن است منجر به انتقال چرخه لیزوژنیک به چرخه لیتیک شود.
• پس از تبدیل شدن به چرخه لیتیک، DNA ویروسی برای تولید پروتئین های ویروسی رونویسی می شود. سپس پروتئین ها و ژنوم ویروسی برای تشکیل ذرات کامل ویروسی جمع می شوند که سپس با لیز از سلول میزبان آزاد می شوند.

چرخه لیتیک در مقابل چرخه لیزوژنیک (14 تفاوت عمده)

کاربردهای باکتریوفاژها

باکتریوفاژها به عنوان داروهای ضد باکتری بالقوه برای درمان بیماری‌های باکتریایی عفونی مختلف در انسان و حیوانات در نظر گرفته شده‌اند. در ابتدا، کاربرد بالینی باکتریوفاژها به درمان عفونت های حاد روده ای و عفونت های پوستی محدود می شد. با این حال، بعداً، استفاده از باکتریوفاژها در روش های جراحی برای درمان عوارض عفونی خارش دار آغاز شد. موارد زیر به برخی از کاربردهای باکتریوفاژها در مناطق مختلف اشاره شده است:

آ. درمان عفونت های باکتریایی

• با افزایش موارد مقاومت باکتریایی در برابر آنتی بیوتیک های متعدد، استفاده بالقوه از باکتریوفاژ یک درمان ممکن مورد بررسی قرار گرفته است.
• از آنجایی که باکتریوفاژ فقط باکتری ها را آلوده می کند و برای انسان بی ضرر است، تجویز این گونه باکتریوفاژها در انسان به از بین بردن چنین باکتری های عفونی کمک می کند.
• علاوه بر این، نشان داده است که استفاده از باکتریوفاژها بر روی زخم های سوختگی احتمال عفونت و سپسیس را تا حد زیادی کاهش می دهد.

ب. در بهداشت و ایمنی مواد غذایی

• باکتریوفاژها برای کنترل و از بین بردن آلاینده های باکتریایی از سطوح مواد غذایی و فساد ناشی از غذا استفاده می شوند.
• باکتریوفاژها بسیار خاص هستند، که آنها را برای ضدعفونی کردن غذاهای آماده مانند شیر، سبزیجات و فرآورده های گوشتی جذاب می کند.
• بسیاری از باکتریوفاژها برای استفاده به عنوان ضدعفونی کننده اسپری برای ضدعفونی پوست گاو قبل از کشتار به منظور کاهش آلودگی در گوشت، تجاری شده اند.
• برخی از باکتریوفاژها همچنین به عنوان ضدعفونی کننده سطح و محیط مفید هستند زیرا می توانند لکه های ضد زنگ را به همان اندازه یک ترکیب آمونیوم چهارتایی ضد عفونی کنند.

در کشاورزی

• برخی از باکتریوفاژها که مختص باکتری های گیاهی هستند در کشاورزی نیز کاربرد دارند.
• از این فاژها برای درمان و پیشگیری از بیماری های باکتریایی در گیاهان استفاده می شود. استفاده از باکتریوفاژها در محل آنتی بیوتیک ها از تجمع آنتی بیوتیک ها در سطح گیاه جلوگیری می کند که ممکن است برای سلامت مصرف کنندگان مضر باشد.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.