Bakteriofagi – wirusy infekujące bakterie – cieszą się coraz większym zainteresowaniem jako potencjalna broń przeciwko infekcjom opornym na antybiotyki. Jednak badanie tych maleńkich stworzeń, które odgrywają ważną rolę w zwalczaniu bakterii w wielu dziedzinach, od medycyny po rolnictwo, pozostaje niezwykle trudne. Ich złożona struktura i metody rozmnażania od dawna utrudniają postęp naukowy. Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Science Advances przez zespół naukowców z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i Uniwersytetu Otago dostarcza niespotykanego dotąd poziomu szczegółowości jednej takiej cząstki – faga Bas63 – otwierając drzwi do racjonalnego projektowania i rozpoczynając nową erę terapii i zastosowań opartych na fagach.
Problemy w badaniu bakteriofagów
Bakteriofagi są niezwykle powszechne na Ziemi i zostały odkryte ponad sto lat temu. Pierwsi pionierzy dostrzegli w nich potencjał jako naturalnych zabójców bakterii, ale pojawienie się antybiotyków przyćmiło ten obiecujący kierunek. Teraz, gdy oporność na antybiotyki staje się globalnym zagrożeniem dla zdrowia, wzrosło zainteresowanie fagami. Jednakże rozwój skutecznych terapii fagowych napotyka poważne przeszkody.
Zrozumienie struktury i funkcji tych wirusów na poziomie molekularnym ma kluczowe znaczenie dla skutecznego zarządzania nimi. Bakteriofagi są złożone, często posiadają różnorodne struktury i unikalne sposoby interakcji z gospodarzami bakteryjnymi. Ta złożoność utrudnia ich kompleksowe badanie, co utrudnia rozwój celowanych terapii opartych na fagach.
Fag jak żaden inny: Bas63 w centrum uwagi
Aby rozwiązać ten problem, zespół badawczy skupił się na Bas63, bakteriofagu wyizolowanym z kolekcji BASEL, repozytorium danych genetycznych i fenotypowych na temat ponad 100 fagów, o których wiadomo, że infekują E. coli. Bas63 wyróżniał się niezwykle złożoną strukturą, którą można było dostrzec nawet pod prostą mikroskopią. Ta unikalna architektura uczyniła go idealnym kandydatem do szczegółowej analizy strukturalnej przy użyciu zaawansowanych technologii.
Cryo-EM: okno na mikroskopijny świat
Naukowcy wykorzystali kriomikroskopię elektronową (cryo-EM), potężną technikę, która umożliwia wizualizację cząsteczek z precyzją niemal atomową poprzez szybkie ich zamrażanie i rejestrowanie obrazów za pomocą wiązki elektronów. Zastosowali nowatorską technikę „panoramiczną” w krio-EM, zasadniczo dokonując sekcji struktury faga krok po kroku i udoskonalając rekonstrukcję na każdym etapie.
Łącząc te informacje strukturalne o wysokiej rozdzielczości z danymi genetycznymi (sekwencje aminokwasów), uzyskali bezprecedensowy wgląd w architekturę Bas63. Pozwoliło im to zidentyfikować i zmapować każdą ważną strukturę białkową ze zdumiewającą szczegółowością. Wyniki ujawniły fascynujące cechy, takie jak unikalne białka zdobiące kapsyd faga (otoczka białkowa otaczająca jego materiał genetyczny) oraz rzadka struktura typu „widelec i gałka” łącząca głowę z ogonem – elementy, które nie są często spotykane u innych fagów tego typu.
Level Up: Fag do każdego zadania?
Szczegółowa mapa Bas63 otwiera ekscytujące możliwości wykraczające poza leczenie infekcji bakteryjnych. Identyfikacja konkretnych regionów faga, które wiążą się z bakteriami, może pozwolić naukowcom na stworzenie fagów o zwiększonej precyzji celowania, gwarantując, że atakują tylko szkodliwe bakterie, pozostawiając w spokoju te pożyteczne.
Ponadto badacze podkreślają, że zastosowanie fagów wykracza daleko poza medycynę:
- Rolnictwo: kontroluj patogeny roślin i zwiększaj plony
- Akwarysfera: zwalczanie chorób bakteryjnych ryb hodowlanych i skorupiaków
- Biotechnologia: wykorzystanie fagów do bioremediacji (oczyszczania zanieczyszczeń) lub procesów przemysłowych, takich jak produkcja żywności i oczyszczanie ścieków
Prototyp przyszłości
Profesor Matthias Wolf, kierownik Jednostki Molekularnej Mikroskopii Krioelektronowej w OIST, podkreśla szersze implikacje: „Dzięki zapewnieniu takiego poziomu zrozumienia strukturalnego i informacji biologicznych możemy umożliwić racjonalne projektowanie fagów i zmienić podejście do leczenia chorób”.
Szczegółowy projekt Bas63 zapewnia badaczom potężne narzędzie do dostosowywania fagów do konkretnych potrzeb, rozpoczynając erę spersonalizowanych terapii fagowych i innowacyjnych zastosowań w wielu gałęziach przemysłu. Odkrycia pokazują transformacyjny potencjał dokładnej analizy strukturalnej, torując drogę do odblokowania mikroskopijnego arsenału natury z korzyścią dla ludzkości i reszty świata.
