Bakteriyofaj

Bakteriyofaj (Antik Yunanca βακτήριον baktérion bakteri ve φαγεῖν phageín, 'yemek' fiilinden türetme), bakterileri enfekte eden bir virüstür. Terim genelde kısaltılmış hali olan faj olarak kullanılır.

Ökaryotları (hayvan, bitki ve mantarları) enfekte eden virüsler gibi fajlarda da büyük bir yapısal ve işlevsel çeşitlilik vardır. Tipik olarak proteinden oluşan bir kabuk ve içinde yer alan genetik malzemeden oluşurlar. Genetik malzeme DNA veya RNA olabilir, ama genelde 5 - 500 kilo baz çifti uzunluğunda çift sarmallı DNA'dan oluşur. Bakteriyofajlar genelde 20 ila 200 nm arası büyüklükte olurlar.

Fajlar her yerde mevcutturlar ve bakterilerin yaşadığı ortamlarda, örneğin toprakta veya hayvan bağırsaklarında bulunabilirler. Faj ve diğer virüslerin en yoğun doğal kaynaklarından biri deniz suyudur. Deniz yüzeyinde mililitrede 109 etkin faj taneciği (virion) bulunmuştur ve deniz bakterilerinin %70'i fajlar tarafından enfekte olmuş olabilirler.

1913'te Büyük Britanyalı bakteriyolog Frederick Twort bakterileri enfekte edip öldüren bir etmen keşfetmiş ama konuyu daha fazla takip etmemiştir. Fransız-Kanadalı mikrobiyolog Felix d'Hérelle 3 Eylül 1917'de "dizanteri basilinin düşmanının, görünmez bir mikrobunu" keşfettiğini açıklayıp ona bakteryofaj adını verdi.

Bakteriyofajların litik veya lizogenik hayat döngüleri olabilir, bazılarında her ikisi de olur. T4 fajı gibi öldürücü fajlarda görülen litik döngüde virionun çoğalmasının hemen ardından konak hücre parçalanır ve ölür. Hücre ölür ölmez virionların kendilerine yeni bir konak bulmaları gerekir.

Lizogenik döngü, buna tezat olarak, konak hücrenin parçalanmasına neden olmaz. Lizogenik olabilen fajlara ılımlı fajlar (temperate phage) denir. Viral genom konak genoma dahil olur ve oldukça zararsız bir şekilde onunla beraber eşlenir. Konak hücrenin sağlığı yerinde olduğu sürece Virüs sessiz bir şekilde varlığını sürdürür, ama konağın şartları bozulursa, örneğin besin kaynaklarının tükenmesi durumunda, endojen fajlar (profaj olarak adlandırılırlar) etkinleşirler. Bir çoğalma süreci başlar, sonucunda konak hücre parçalanır. İlginç bir şekilde lizogenik döngü konak hücrenin çoğalmasına izin verdiği için hücrenin yavrularında da virüs varlığını devam ettirir.

Bazen profajlar inaktif oldukları dönemde bakteri genomuna yeni işlevler kazandırarak konak bakteriye fayda sağlarlar, bu olguya lizogenik dönüşüm (lysogenic conversion) denir. Bunun iyi bilinen bir örneği Vibrio cholera 'nın zararsız bir suşunun bir faj tarafından enfekte edilerek kolera hastalığı etmenine dönüşümüdür.

Konak hücreye girmek için bakteryofajlar bakterinin yüzeyindeki özgül reseptörlere bağlanırlar, bunlar arasında lipopolisakkaritler, teikoik asitler, proteinler sayılabilir. Bu nedenle bir bakteryofaj ancak bağlanabileceği reseptörler taşıyan bakterileri enfekte edebilirler. Faj virionları kendi kendilerine hareket etmedikleri için kendi reseptörleriyle solüsyondayken rassal olarak buluşup bağlanırlar.

Karmaşık bakteryofajlar, örneğin T-çift fajları, genetik malzemelerini hücrenin içine enjekte etmek için şırınga benzeri bir hareket kullanırlar. Uygun reseptörle temas kurduktan sonra kuyruk lifleri taban plakasını hücre yüzeyine yaklaştırırlar. İyice bağlandıktan sonra, kuyruk büzülür, bu da genetik malzemenin dışarı itilmesine neden olur. Bazı fajlar nükleik asiti hücre zarından içeri iter, bazıları hücre yüzeyine birakır. Başka yöntemlerle genetik malzemelerini içeri sokan bakteriyofajlar da vardır.

Kısa süre, bazen dakikalar içinde, bakteri ribozomları viral mRNA'nın proteine çevirimine (translasyonuna) başlarlar. RNA-fajlarında RNA-replikaz bu sürecin başlarında sentezlenir. Erken sentezlenen proteinler ve virionla gelen bazı proteinler bakterinin RNA polimerazını modifiye edip onun viral mRNA'yı tercihen çevirmesine neden olabilirler. Konağın kendi protein ve nükleik asit sentezi de bozularak viral ürünlerin sentezine yönlendirilir. Bu ürünler ya hücreyi parçalamaya yarayacaklar, ya yeni virionların oluşmasına yardımcı olacaklar veya yeni virionları oluşturacaklardır.

T4 fajları durumunda yeni fajların inşası özel yardımcı molekülleri gerektiren karmaşık bir süreçtir. Önce taban plakası oluşur, kuyruk onun üzerinde büyür. Kafa kapsidi, ayrı olarak oluşup kendiliğinden kuyruk ile birleşir. Henüz bilinmeyen bir şekilde DNA kafanın içine sıkı bir şekilde yerini alır. Bütün süreç yaklaşık 15 dakika alır.

Fajlar ya hücre parçalanması (lizis) veya salgılanma yoluyla salınırlar. T4 fajları durumunda, hücre içine girmelerinden 20 dakikadan biraz sonra hücre parçalanması yoluyla sayıları 300'ü bulabilen faj salınır. Bunun gerçekleşmesi, hücre duvarındaki peptidoglikanı parçalayan endolizin adlı enzim sayesinde olur. Bazı virüsler ise parazite dönüşüp konak hücrenin sürekli olarak yeni virüs tanecikleri salgılamasına neden olabilirler. Yeni virionlar hücre zarından tomurcuklanarak koparlar, beraberlerinde hücre zarının bir kısmını da götüren bu fajlar örtülü virüs olarak ortama salınırlar. Salınan virionların her biri yeni bir bakteriyi enfekte edebilir.

Keşiflerinin ardından fajlar anti-bakteriyel etmen olarak denenmişlerdir. Ancak antibiyotikler keşfedilince bunların fajlardan daha kullanışlı oldukları görülmüştür ve Batı'da faj tedavisi üzerine yapılan araştırmalar bırakılmıştır. Buna karşın Sovyetler Birliği'nde 1940'lardan beri antibiyotiklere alternatif olarak kullanımı devam etmiştir.

Bakteri suşlarında doğal seleksiyon yoluyla antibiyotik direncinin oluşması bazı tıbbi araştırmacıları faj tedavisini antibiyotik tedavisine bir alternatif olarak tekrar değerlendirmeye sevketmiştir. Antibiyotiklerden farklı olarak fajlar, milyonlarca yıldır süregeldiği gibi, bakterilerle beraber evrimleştikleri için, sürekli bir direncin oluşma olasılığı yok sayılabilir. Ayrıca, etkili bir faj, özgül bakterisini tamamen bitene kadar enfekte etmeye devam edecektir.

Belli bir faj genelde ancak belli bir bakteri tipini enfekte edebildiği için, ki bu birkaç bakteri türü olabileceği gibi bir türün sadece bazı alt türleri de olabilir, bakteri tipinin doğru tanımlandığından emin olmak gerekebilir, bu da 24 saat sürebilir. Faj terapisinin bir diğer avantajı başka bakterilere zarar gelmeyeceğinden dar spektrumlu antibiyotik terapisine benzemesidir. Ancak, sıkça olduğu gibi, birden fazla bakterinin beraberce neden oldukları enfeksiyonlarda bu bir dezavantaj oluşturabilir. Bakteriyofajların bir diğer sorunu vücudun bağışıklık sisteminin saldırısına uğramalarıdır.

Fajlar enfeksiyonla doğrudan temas durumunda etki gösterirler, onun için açık bir yaraya uygulanmaları en iyi sonuç doğurur. Sistemik enfeksiyonlarda bu pratik olarak mümkün değildir. Sovyetler birliğinde diğer tedavilerin çalışmadığı durumlarda gözlenen başarılı sonuçlara rağmen çoğu araştırmacı faj terapisinin tıbbi bir geçerliliğe ulaşacağına şüphe ile bakmaktadır. Faj tedavisinin etkinliğini belirlemek için büyük ölçekli klink testler yapılmamıştır ama antibiyotik dirençli bakteri türlerinin çoğalmasından dolayı bu konuda araştırmalar sürmektedir.

Ağustos 2006'da ABD Gıda ve İlaç İdaresi (Food and Drug Administration) bazı etlerde Listeria monocytogenes bakterisinin öldürülmesi için bakteriyofaj kullanımını onaylamıştır.

Fajların antibiyotiklere göre bazı avantaj ve dezavantajları vardır. (Tablo 1) Bunlar içinde en önemlileri; fajın uygulanma biçiminden bağımsız olarak nerede ihtiyaç varsa oraya göç etmesi ve orada çoğalması, antibiyotik direncinden bağımsız olarak aktivite göstermesi, biyofilm üzerine etkin olması, etki spektrumunun dar olması ve faj terapisi öncesi etken/faj ilişkisinin tanımlanmış olması olarak sıralanabilir.