Bakteriofager – virus som infekterar bakterier: struktur, livscykel & användning

Bakteriofager – virus som angriper bakterier: upptäck struktur, livscykel, ekologisk betydelse och potential som behandling mot antibiotikaresistenta infektioner.

En bakteriofag är ett virus som infekterar bakterier. Termen förkortas vanligen till fag eller phage. Bakteriofager är bland de vanligaste och mest varierande enheterna i biosfären och finns i nästan alla miljöer där bakterier finns. Precis som virus som infekterar eukaryoter (t.ex. växter, djur och svampar) uppvisar fager stor variation i struktur, genominnehåll och livscykler.

Struktur och genominnehåll

Många välkända fager, särskilt dem i ordningen Caudovirales, har en typisk tvådelad uppbyggnad: ett icosahedralt huvud (en tärningsliknande form med 20 sidor och 30 kanter) som rymmer det genetiska materialet, och en svans med fibrer som hjälper fagen att fästa vid och penetrera bakteriecellen. Det finns dock också filamentösa, pleomorfa och andra morfologiska varianter.

Fager består vanligtvis av ett yttre proteinskal (kapsid) som omsluter genetiskt material. Det genetiska materialet kan vara:
- enkelsträngat (ssRNA eller ssDNA) eller dubbelsträngat (dsRNA eller dsDNA)
- cirkulärt eller linjärt arrangerat
Storleken på faggenom kan variera kraftigt — från cirka 5 000 till omkring 500 000 baspar — och fagernas fysiska storlek ligger vanligen mellan 20 och 200 nanometer.

Faggenomerna kan koda för allt från bara några få gener (så få som fyra) till hundratals gener. Genomet innehåller gener för strukturella proteiner, replikationsproteiner, samt ibland för enzym som modifierar värdbakterien.

Livscykler: lytisk och lysogen

Fagernas livscykel börjar med att fagen fäster vid bakterien via specifika receptorer på cellytan. Därefter injicerar den sitt genom i bakterien. Från detta finns två huvudsakliga scenarier:

• Lytisk cykel: Genomet tar över värdcellens maskineri, producerar nya fagkomponenter som monteras till mogna virioner. När ett stort antal nya fagpartiklar ackumulerats uttrycks enzymer som bryter ned cellväggen, vilket leder till lysering (sprängning) av bakterien och frisättning av nya fager som kan infektera andra bakterier.
• Lysogen cykel (temperata fager): Fagens genom kan integreras i bakteriens kromosom eller kvarstå som ett episom (prophage) och replikeras tillsammans med värdgenomet utan att omedelbart döda cellen. Prophagen kan senare induceras (t.ex. av stress eller UV-ljus) att gå in i en lytisk cykel.

Ekologisk roll och spridning

Fager finns överallt där det finns bakterier — i jord, i djurs tarmar och i vattenmiljöer. I marina miljöer är de extremt vanliga: upp till 9×10⁸virioner per milliliter har hittats i mikrobiella mattor på ytan, och det uppskattas att upp till 70 % av havsbakterierna kan vara infekterade av fager vid en given tidpunkt. Genom att lysere bakterier påverkar fager populationers storlek, samhällssammansättning och flödet av organiskt material — de spelar alltså en central roll i mikrobiell ekologi och biogeokemiska kretslopp.

Fager bidrar också till horisontell genöverföring mellan bakterier genom processer som transduktion, vilket kan sprida egenskaper som toxinproduktion eller antibiotikaresistens.

Användningsområden och medicinska tillämpningar

Fager har använts som terapeutiskt verktyg i över 90 år, särskilt i forna Sovjetunionen och Centraleuropa samt i Frankrike, som alternativ eller komplement till antibiotika. Intresset för fagterapi har ökat igen på grund av ökande problem med antibiotikaresistenta bakteriestammar. Viktiga egenskaper hos fager för terapi är deras höga specificitet (målinriktning på en eller några få bakteriearter) och förmåga att föröka sig i närvaro av sin värd.

Andra användningsområden inkluderar:

• Livsmedelssäkerhet: fager kan användas för att minska bakteriebelastning på ytor eller i produkter.
• Bioteknik: fagdisplay-teknik används för att hitta peptider och antikroppsfragment med önskad bindningsförmåga.
• Miljö- och industriella tillämpningar: kontroll av skadliga bakterier i vattenbehandling och biofilmsbekämpning.

Biofilmer — hjälp eller hinder?

Relationen mellan fager och biofilmer är komplex. Vissa fager producerar enzymer (t.ex. depolymeraser) som bryter ned biofilmens matrix och därmed hjälper till att lösa upp biofilmer, vilket kan underlätta behandling av kroniska infektioner som återfinns vid lunginflammation och cystisk fibros. Å andra sidan kan vissa fager indirekt bidra till biofilmssammansättning eller överleva i biofilmer och därigenom skydda bakterier från antibiotika och immunsvar, vilket förlänger infektionen.

Begränsningar och utmaningar

• Specificitet: Fagers snäva värdspektrum kräver ofta precisa diagnoser och ibland skräddarsydda fagblandningar för behandling.
• Resistens: Bakterier kan utveckla motåtgärder mot fager (t.ex. receptorförändringar eller CRISPR-baserade system).
• Immunologiska reaktioner: När fager ges systemiskt kan kroppens immunsystem neutralisera dem eller orsaka inflammatoriska reaktioner.
• Regulatoriska och produktionsmässiga hinder: Standardisering, säkerhetsbedömning och storskalig produktion kräver fortsatt utveckling och godkännanden.

Historia och upptäckt

Idén att virus kunde angripa bakterier upptäcktes i början av 1900‑talet, men det var först efter att Helmut Ruska 1939 observerade den första fagen i ett elektronmikroskop som man kunde fastställa dess struktur och verkliga natur. Sedan dess har forskning på fager utvecklats både teoretiskt och praktiskt.

Sammanfattning

Bakteriofager är mångfacetterade virus som påverkar bakterier på många nivåer: från individen till hela ekosystem. De har viktiga roller i naturen, är användbara i medicin och industri och erbjuder spännande möjligheter för framtida behandlingar mot antibiotikaresistenta bakterier. Samtidigt kräver deras tillämpning noggrann vetenskaplig utvärdering, reglering och utveckling för att övervinna tekniska och säkerhetsmässiga utmaningar.

Frågor och svar

F: Vad är en bakteriofag?

F: Hur ser toppen av en fage ut?

F: Vilken storlek har bakteriofagerna?

F: Hur många gener kan kodas av fagernas genom?

F: Hur replikerar fagerna i bakterier?

F: Var kan vi hitta fager?

Fråga: När upptäcktes det först vad dessa virus består av?

Sök med bokstav