Virus Design Workbench - Raport inovații
Bacteriofagii atacă o celulă bacteriană. Wikimedia Commons/Dr. Graham Beards
Bacteriofagii (fagii pe scurt) sunt viruși care atacă și ucid în mod specific bacteriile. Sunt foarte numeroase în natură. Tocmai pentru că sunt specializați într-un singur tip de bacterii, cercetătorii speră să poată folosi fagii pentru a trata anumite boli bacteriene într-un mod țintit. De exemplu, industria alimentară folosește deja aceste virusuri pentru a distruge agenții patogeni din alimente într-un mod natural.
Optimizarea genetică a virușilor și, prin urmare, adaptarea lor pentru scopuri specifice este încă dificilă și necesită mult timp. Este deosebit de dificil să modificați fagii pentru a combate așa-numitele bacterii gram-pozitive, cum ar fi Staphylococcus.
Modificarea țintită a fagilor
Acum, însă, ar putea să apară o nouă eră în utilizarea bacteriofagilor, deoarece o echipă de cercetători condusă de Martin Loessner, profesor de microbiologie alimentară la ETH Zurich, tocmai a prezentat o nouă platformă tehnologică în revista PNAS. Acest lucru permite oamenilor de știință să modifice genetic fagii într-o manieră țintită, să-i echipeze cu orice funcții suplimentare și, în cele din urmă, să îi aducă viața într-o „mamă surogat” bacteriană - o celulă Listeria fără perete celular.
Cu noul banc de lucru pentru fagi, virușii de acest gen pot fi creați foarte repede, iar „cutia de instrumente” este extrem de modulară: oamenii de știință îl pot folosi pentru a crea aproape orice bacteriofag în scopuri diferite și cu o multitudine de funcții diferite.
„A fost aproape imposibil să se schimbe genomul unui bacteriofag”, spune Loessner. În plus, metodele au fost extrem de ineficiente. De exemplu, o genă a fost integrată doar în genomul existent într-o fracțiune din fagi. Prin urmare, izolarea fagului modificat a devenit adesea o căutare a unui ac într-un fân.
„În trecut, a trebuit să selectăm acei fagi care aveau proprietățile dorite din milioane de fagi. Acum putem genera tot felul de viruși de același tip chiar de la început, le putem testa într-o perioadă utilă și, dacă este necesar, le putem schimba din nou ”, subliniază Loessner.
Programați viruși pe computer
Colegul lui Loessner, Samuel Kilcher, a deschis calea pentru o descoperire. Specialistul în virologie moleculară a folosit metode din biologia sintetică pentru a planifica genomul unui bacteriofag pe planșă și pentru a-l asambla din fragmente de ADN într-o eprubetă. Funcționalități noi și suplimentare, cum ar fi enzimele pentru descompunerea învelișului celulei bacteriene, au fost încorporate în genomul fagului. Kilcher poate elimina, de asemenea, genele care dau un fag proprietăți nedorite, cum ar fi integrarea în genomul bacterian sau producerea de toxine celulare.
Pentru a readuce la viață particulele de fagi din ADN-ul artificial, genomul a fost introdus în forme sferice, fără perete celular, dar viabile ale bacteriei Listeria (Listeria în formă de L). Aceste celule bacteriene folosesc apoi schema genetică pentru a produce toate componentele fagului dorit și pentru a se asigura că virusurile sunt asamblate corect.
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că listeria sferică produce nu numai fagii lor specifici, ci și cei care pot infecta alte bacterii. De obicei, o gazdă scoate la iveală doar virusurile sale specifice. Listeria în formă de L este, prin urmare, potrivită ca incubator de bacteriofagi aproape universal.
Dacă listeria este făcută apoi să explodeze, bacteriofagii sunt eliberați și pot fi izolați și răspândiți pentru utilizare în terapie sau diagnosticare.
Doar fagii virulenți sunt potriviți
O cerinta cheie pentru utilizarea bacteriofagilor sintetici eficienti este ca genomul lor sa nu se integreze in cel al gazdei, subliniaza Kilcher. Dacă se întâmplă acest lucru, virusul nu mai reprezintă o amenințare pentru bacterie. Cu ajutorul noii metode, totuși, cercetătorii au reușit să reprogrameze cu ușurință astfel de fagi integratori, astfel încât să piardă capacitatea de integrare și astfel să devină din nou interesanți pentru aplicațiile antibacteriene.
Cei doi cercetători nu-și fac griji cu privire la posibilele rezistențe în fagi. Și chiar dacă ar exista, de exemplu, când o bacterie își schimbă structura suprafeței pentru a preveni acostarea virusului, noua tehnologie ar putea dezvolta rapid un fag adecvat la care o bacterie nu a dezvoltat încă nicio rezistență.
Cercetătorii consideră, de asemenea, că riscul de eliberări nedorite este scăzut. Tocmai pentru că bacteriofagii, naturali și sintetici, sunt foarte specifici gazdei, nu pot supraviețui mult fără gazda lor. Această specificitate ridicată împiedică, de asemenea, bacteriofagii să poată trece la o nouă bacterie gazdă. „Pentru a te adapta la structura suprafeței unei alte gazde ar fi nevoie de mult timp în natură”, spune Loessner.
Aplicarea practică este din ce în ce mai aproape
Cu tehnologia lor, echipa Loessner a făcut un mare pas către utilizarea bacteriofagilor sintetici pentru terapie, diagnosticare sau în industria alimentară. Procedând astfel, cercetătorii depășesc, de asemenea, limitările asociate cu utilizarea fagilor naturali. „Cutia noastră de instrumente ar putea ajuta la exploatarea potențialului fagilor”, spune Loessner. Cercetătorii au solicitat un brevet pentru tehnologia lor. Acum speră să găsească licențiați care vor produce fagi pentru terapie și diagnostic.
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Repornirea încrucișată a genomului bacteriofagilor sintetici la comandă, pe bază de bacterii în formă de L. PNAS 2018 ianuarie, 115 (3) 567-572. doi: 10.1073/pnas.1714658115