Bakteriofágy – viry, které infikují bakterie – získávají obnovenou pozornost jako potenciální zbraně proti infekcím odolným vůči antibiotikům. Ale tato drobná stvoření, která hrají důležitou roli v boji proti bakteriím v mnoha oblastech od medicíny po zemědělství, je stále extrémně obtížné studovat. Jejich složité struktury a způsoby rozmnožování dlouho brzdily vědecký pokrok. Nová studie publikovaná v časopise Science Advances týmem vědců z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) a University of Otago poskytuje bezprecedentní úroveň detailů o jedné takové částici – fágu Bas63 – otevírá dveře racionálnímu designu a zahajuje novou éru fágových terapií a aplikací.
Problémy při studiu bakteriofágů
Bakteriofágy jsou na Zemi neuvěřitelně běžné a byly objeveny před více než stoletím. První průkopníci viděli jejich potenciál jako přirozených zabijáků bakterií, ale příchod antibiotik tento slibný směr zastínil. Nyní, když se rezistence na antibiotika stává globální zdravotní hrozbou, zájem o fágy vzrostl. Vývoj účinných fágových terapií však naráží na značné překážky.
Pochopení struktury a funkce těchto virů na molekulární úrovni je rozhodující pro jejich efektivní řízení. Bakteriofágy jsou složité, často mají různé struktury a jedinečné způsoby interakce se svými bakteriálními hostiteli. Tato složitost ztěžuje jejich komplexní studium, což brání vývoji cílených terapií na bázi fágů.
Fág jako žádný jiný: Bas63 v centru pozornosti
K vyřešení tohoto problému se výzkumný tým zaměřil na Bas63, bakteriofág izolovaný ze sbírky BASEL, úložiště genetických a fenotypových dat o více než 100 fágech, o kterých je známo, že infikují E. coli. Bas63 vynikl svou neobvykle složitou strukturou, která byla viditelná i při jednoduché mikroskopii. Tato jedinečná architektura z něj udělala ideálního kandidáta pro detailní strukturální analýzu využívající pokročilé technologie.
Cryo-EM: okno do mikroskopického světa
Vědci použili kryo-elektronovou mikroskopii (cryo-EM), výkonnou techniku, která dokáže vizualizovat molekuly s téměř atomovou přesností jejich rychlým zmrazením a záznamem snímků pomocí elektronového paprsku. Použili novou “panoramatickou” techniku v kryo-EM, v podstatě rozřezali fágovou strukturu krok za krokem a zdokonalili rekonstrukci v každé fázi.
Kombinací těchto strukturních informací s vysokým rozlišením s genetickými daty (sekvence aminokyselin) získali bezprecedentní vhled do architektury Bas63. To jim umožnilo identifikovat a zmapovat každou důležitou proteinovou strukturu v úžasných detailech. Výsledky odhalily fascinující rysy, jako jsou unikátní proteiny zdobící kapsidu fága (proteinový obal obklopující jeho genetický materiál) a vzácná struktura vidlice a knoflíku spojující hlavu s ocasem – prvky, které se u jiných fágů tohoto typu často nevyskytují.
O úroveň výš: Fág pro každý úkol?
Podrobná mapa Bas63 otevírá vzrušující možnosti nad rámec léčby bakteriálních infekcí. Identifikace specifických oblastí ve fágu, které se vážou na bakterie, by vědcům umožnila vytvořit fágy se zvýšenou přesností cílení, což zajistí, že napadnou pouze škodlivé bakterie, zatímco ty prospěšné ponechávají na pokoji.
Kromě toho vědci zdůrazňují, že použití fágů sahá daleko za hranice medicíny:
- Zemědělství: kontrolujte rostlinné patogeny a zvyšujte výnosy
- Aquarisphere: boj proti bakteriálním onemocněním chovaných ryb a měkkýšů
- Biotechnologie: použití fágů pro bioremediaci (čištění znečišťujících látek) nebo průmyslové procesy, jako je výroba potravin a čištění odpadních vod
Prototyp budoucnosti
Profesor Matthias Wolf, vedoucí oddělení molekulární kryo-elektronové mikroskopie na OIST, zdůrazňuje širší důsledky: „Poskytnutím této úrovně strukturálního porozumění a biologických informací můžeme umožnit racionální návrh fágů a změnit přístup k léčbě nemocí.“
Detailní design Bas63 poskytuje výzkumníkům mocný nástroj k přizpůsobení fágů specifickým potřebám, čímž zahajuje éru personalizovaných fágových terapií a inovativních aplikací v celé řadě průmyslových odvětví. Zjištění demonstrují transformační potenciál pečlivé strukturální analýzy, která dláždí cestu k odemknutí mikroskopického arzenálu přírody ve prospěch lidstva a zbytku světa.
