Bakteriofagi

Bakteriofagi, useimmiten pelkästään fagi (tai faagi), on virus, joka loisii bakteerissa ja tuhoaa niitä. Eniten tutkimuksessa käytettyjä bakteriofageja ovat bakteriofagi λ sekä T4-bakteriofagi (kts. kuva). Fagit rakentuvat ikosahedraalisesta proteiinikuoresta, joka ympäröi sisällä olevaa DNA:ta, tai eräiden yksinkertaisempien fagien kohdalla RNA:ta. Tyypillisen DNA-fagin kromosomi sisältää n. 50 geeniä (5–500 kBp), jotka koodaavat muun muassa fagin osia, sekä proteiineja, joiden avulla fagi lamaannuttaa isäntäbakteerisolun. Fagilla on myös proteiinista koostuva rakenne, jolla se kiinnittyy bakteeriin ja injektoi eli syöttää sisään DNA:nsa (tai RNA:nsa). Fagit ovat kooltaan n. 20–200 nm (vertaa Escherichia coli -bakteeriin, joka on kooltaan n. 0,5 µm x 0,5 µm x 2,0 µm = 500 nm x 500 nm x 2000 nm) .
Fagit ovat erittäin laajalti levinneitä, ja niitä on eritoten maaperässä ja eläinten suolissa. Yksi tihein fagien (ja muiden virusten) esiintymisalue on merivesi, jossa jopa 10⁹ viruspartikkelia on löydetty millilitrassa pintavettä. Noin 70 % vedessä elävistä bakteereista kokeekin fagi-infektion.

Bakteriofagien rakenne

Bakteriofagien rakenne on hyvin symmetrinen. Päärakenne on ikosahedraalisesti symmetrinen, kun taas keski- ja alaosat noudattavat lieriömäistä symmetriaa. Tämä rakenne löytyy T-parillisista fageista, sekä kolifageista (eli Coli-lajia infektoivista fageista). Muita fagimuotoja on kuitenkin havaittu, esimerkiksi fagiperhe Inoviridae on pitkä ja kuitumainen, kun taas Cystoviridae-perheen fagit ovat pallomaisia.
Fagit, kuten useat eukaryoottien virukset, kokoontuvat spontaanisti osasistaan. Tämä on luultavasti mahdollista korkeasti symmetrisen, mutta kuitenkin melko yksinkertaisen rakenteen ansiosta. Riittää, että solun proteiinisynteesi kaapataan tuottamaan fagin osasia, jotka sitten kokoontuvat itsestään uusiksi fageiksi (kts. fagien elämänsykli alla).

Bakteriofagien elämänsykli

Fagi lähestyy solua, kiinnittyy sen pintaan ja injektoi geneettisen materiaalinsa soluun. Fagin proteiinikuori ja -osaset eivät päädy soluun sisälle. Tästä eteenpäin bakteriofagi yleisesti omaksuu toisen kahdesta eri linjasta: lysogeenisen tai lyyttisen. 
Ensimmäisessä fagin kromosomi liittyy bakteerin kromosomiin paikkaspesifisellä rekombinaatiolla. Esimerkiksi bakteriofagi λ:n kromosomilla liittymiskohtana toimii attP-niminen DNA-jakso, ja sen kohteella E. colilla attB. Fagin DNA voi säilyä nukuksissa isännän kromosomissa tuhansia sukupolvia. Fagista käytetään tällöin nimitystä profagi. Irtautuminen tapahtuu esimerkiksi UV-valon seurauksena (UV tunnetusti hajottaa DNA:ta), mutta sitä voi estää (aiheuttaa) myös tietyt proteiinit, joiden inaktivointi (aktivointi) johtaa fagin kromosomin irtautumiseen. Tästä eteenpäin bakteerin kohtalo on sama kuin lyyttisessä reaktiotiessä.
Lyyttisessä tapahtumakulussa fagin kromosomia monistetaan ja solun proteiinisynteesikoneisto alkaa tuottaa fagin osasia. Nämä kokoontuvat, kunnes solu on niin täynnä fageja, että se räjähtää auki vapauttaen vastatuotetut fagit infektoimaan uusia bakteereja. Yleensä yksi fagi-infektio johtaa 50–200 uuden fagin tuotantoon, ja yli kahden fagin infektiot samaan soluun ovat erittäin harvinaisia.

Bakteriofagien sovellukset

Bakteriofageista on 1980-luvun puolivälin jälkeen kehittynyt tärkeitä genetiikan työkaluja.
Bakteriofageja voidaan käyttää tappamaan bakteereita hyvin spesifisesti. Bakteriofagien käyttö antibiootteina on uusi ala, joka kehittyy paraikaa. Tähän mennessä perinteiset antibiootit ovat kuitenkin osoittautuneet käytännöllisemmiksi. Fagien suurin hyöty on kuitenkin, että bakteerit eivät voi kehittää vastustuskykyä niille yhtä tehokkaasti kuin lääkkeellisille antibiooteille, koska fagit adaptoituvat siinä missä bakteeritkin. Tämä kilpajuoksu on jatkunut miljardien vuosien ajan, joten bakteerien pysyvä resistenssi fageja vastaan on epätodennäköinen. Fagit ovat myös tehokkaita bakteerien tappajia. Kun sopiva fagi löytyy tietylle bakteerille, se jatkaa, kunnes kaikki, tai ainakin erittäin suuri osa bakteereista on kuollut. Fagit ovat spesifisiä tietyille bakteereille, joten bakteerikanta pitää ensiksi tunnistaa. Toisinaan käytetään myös fagiseosta. Etu on bakteerien spesifinen kuoleminen, mutta tämä ei ole riittävä infektioissa, joissa vaikuttavat useat eri bakteerilajit. Kehon immuunijärjestelmä hyökkää myös fageja vastaan.
Fagit toimivat parhaiten, kun ne pääsevät suoraan kosketukseen infektion kanssa, joten ne levitetään suoraan haavalle. Tämä on kuitenkin harvoin käytännöllistä. Huolimatta yksittäisistä onnistumisista muun muassa Neuvostoliitossa, fagiterapian tehokkuutta ei ole vielä laajasti tutkittu. Joitakin kliinisiä kokeita fagiterapiasta on käynnissä.
Fageja voidaan käyttää DNA:n kloonaukseen. Vaikka plasmidit ovat erinomaisia DNA:n kloonaamiseen, niitä ei voi käyttää yli 10 kbp:n rihmoille. Bakteriofagi λ:n DNA mahdollistaa kiertotien tämän ongelman ylitse. Sen genomista poistetaan keskeltä osa, joka ei ole tärkeä uusien fagien luomisessa. Sen tilalle liitetään vieras DNA, joka halutaan kloonata. Fagien annetaan sitten infektoida E. coli -bakteereja, jotka hoitavat DNA:n kloonauksen.
Geenikirjastot. Jos haluamme kloonata koko (ulkopuolisen) genomin, hajotamme sen osiin ja rakennamme fageista kloonialtaan, joka on tarpeeksi iso, jotta kaikkia mahdollisia fragmentteja on sisällytetty. Fagien annetaan infektoida alttiita bakteereita petrimaljalla, jolloin muodostuvat plakit eli tyhjät alueet, joilta fagit ovat tappaneet bakteerit, sisältävät monin kerroin kopioituna tiettyä DNA-jaksoa, jonka kyseinen fagi sattui sisältämään. Yksi fagi riittää luomaan silminhavaittavan plakin. 
Fagit hoitavat myös osan bakteerien välisestä geneettisen materiaalin vaihtamisesta. Bakteerit eivät lisäänny seksuaalisesti, eli ne eivät läpikäy meioosia, joka loisi geneettistä variaatiota. Kuitenkin bakteerit pystyvät adaptoitumaan uusiin ympäristöllisiin haasteisiin, eli kehittymään evolutionaarisesti. Kun fagi-virus kokoontuu osistaan bakteerin sytoplasmassa, se saattaa vahingossa sisällyttää myös bakteerin omaa DNA:ta sisälleen. Tämä DNA kulkeutuu sitten fagin mukana seuraaviin bakteereihin ja se saattaa tehdä fagista myös tehottoman, eli seuraava bakteeri ei kuolekaan. Tätä kutsutaan yleiseksi transduktioksi. Kun profagin kromosomi leikataan irti bakteerin kromosomista, se saattaa viedä mukanaan bakteerin geenejä, jotka sijaitsevat fagin kromosomin vieressä bakteerin DNA:lla. Tätä kutsutaan erikoiseksi transduktioksi.
Fagit myös tarjosivat lopullisen todisteen, että DNA on solun informaatiomolekyyli. Radioaktiivisella fosforilla merkitty fagin DNA aiheutti radioaktiivisen fosforin löytymisen bakteerisolujen sisältä infektioiden jälkeen. Mm. radioaktiivisella rikillä merkityt fagiproteiinit eivät kuitenkaan päätyneet solun sisälle. Tämä osoitti, että DNA on geneettisen informaation sisältävä molekyyli.

Bakteerien puolustusmekanismit fageja vastaan

Puolustautuakseen fageilta bakteerit tuottavat endonukleaasi-proteiineja, jotka pilkkovat DNA:ta tietystä emäsjaksosta. Eri endonukleaaseilla on oma spesifinen kohdejaksonsa. Näillä bakteerit pyrkivät tekemään fagin kromosomista kelvottoman, jolloin fagin hyökkäys epäonnistuu. Suojatakseen oman DNA:nsa endonukleaaseilta bakteerit lisäävät metyyliryhmiä suojaamaan endonukleaasien kohdejaksoja, jolloin ne eivät pilko bakteerin omaa DNA:ta.