Bakteriofag

right|thumb|180px|Struktura tipskog miovirusnog bakteriofaga
**Bakteriofag**, neformalno **fag**, jest virus koji inficira bakterije i u njima se umnožava. Termin potiče od korijena "bakterija" i sufiksa fag (grčki φαγεῖν - *phagein* = jesti, progutati). Bakteriofagi se sastoje od proteina koji kapsuliraju DNK ili RNK genom, a mogu imati relativno jednostavne ili složene strukture. Njihov genom može sadržavati kod za od četiri do na stotine gena.
 
Bakteriofag se umnožava repliciranjem unutar bakterija nakon injektiranja njihovog genoma u citoplazmu domaćina. Bakteriofagi su među najčešćim i najraznolikijim subjektima u biosferi.
Bakteriofagi su široko rasprostranjeni na mjestima koja su naseljena bakterijama i domaćinima, kao što su zemljište ili crijeva životinja. Jedan od najgušćih prirodnih izvora faga i drugih virusa je morska voda, u kojoj ima do 9 × 108 viriona po mililitru, što je pronađeno u mikrobnoj prevlaci na površini, a do 70% morskih bakterija može biti inficirano fagima.

Tokom proteklih više od 90 godina, bakteriofagi korišteni su za kao alternativa antibioticima u bivšem Sovjetskom Savezu i centralnoj Evropi, kao i u Francuskoj. Oni se vide kao moguća terapija protiv multirezistentnih sojeva mnogih bakterija (fagna terapija). Ipak, fagi Inoviridae su pokazali da kompliciraju biofilm koji je uključeni u upalu pluća i cističnu fibrozu, sklonište bakterija od lijekova kojima je cilj da ukorijene bolest i promoviraju uporne infekciju.
[thumb|desno|180px|Bakteriofag P22, član je porodice *[Podoviridae*, po morfologiji, zbog kratkog, nekontraktilnog repa.]]

## Klasifikacija 
Bakteriofagi javljaju se obilno u biosferi, sa različitim virionima, genomima i načinima života. Klasificiraju se po odredbama Međunarodnog komiteta za taksonomiju virusa (ICTV), prema morfologiji i nukleinskim kiselinama.

ICTV trenutno prepoznaje devetnaest porodica čiji predstavnici koje inficiraju bakterije i archaea. Od tih, samo dvije porodice imaju RNK genoma, a samo u pet porodica su obavijeni kapsulom. Od virusnih porodica s DNK genomom, samo dvije imaju jednolančani genom. Osam virusnih porodice sa DNK genomom imaju kružni genom, dok ih devet imaju linearne genome. Devet porodica inficira samo bakterije, devet samo Archaea i jedna (*Tectiviridae*) inficira i bakterije i arheje.

## Pregled građe i razmnožavanja
Bakteriofagi su bakterijski virusi koji u svom životnom ciklusu prodiru u bakterijske ćelije, u kojima se razmnožavaju i na kraju uzrokuju njihovo razlaganje i smrt. Otkrili su ih nezavisno F. W. Twort (1915.) i F. H. d’Herelle (1917.). Veličina faga je na skali nanometara; dužina bakteriofaga T2, koji napada bakteriju *Escherichia coli*, je oko 200&nbsp;nm. Elektronska mikroskopija je omogućila da se uoči struktura koli-faga T2, u kojoj su: 
*glava sa DNK i bjelančevinama,
*šuplji vrat,
*izduženi trup,
*osnovna (bazna) ploča i 
*repne niti.

Preko osnovne pločice i repnih niti, fag pričvršćuje se na ćelijski zid bakterije i prodire skrativši trup, na čijem se kraju nalazi srž od DNK koja je istisnuta iz glave. DNK faga ulazi u ćeliju bakterije domaćina i vrlo brzo programira sintezu svoje DNK iz materijala, i pomoći sintetskih mehanizama bakterijske ćelije, što rezultira stvaranjem mnogih novih faga i raspadanjem (lizom) napadnute ćelije. Drugim riječima DNK posjeduje samo genetičku informaciju za sopstveno repliciranje, za koje preusmjerava kompletnu bakterijski sintersku mašineriju.

Bakteriofagi ispoljavaju strogu specifičnost prema pojedinim vrstama bakterija i ne mogu napadati druge. Ako se uništi ćelijski zid bakterije ili na neki način blokiraju receptori na koje se bakteriofag pričvršćuje, on ne može prepoznati i zaraziti bakterijsku ćeliju.
 
Bakteriofagi se uspješno uzgajaju i dokazuju u rutinskim laboratorijama. Na razmaz bakterije osjetljive na fag nanese se materijal (voda, tlo, hrana) u kojem testira prisustvo/odsustvo faga, pa se, nakon inkubacije, promatra da li se na hranjivoj podlozi usred bakterijskog razmaza javljaju prozirne zone ili plakovi (*plaque*, plakovi), koji su dokaz prisustva bakteriofaga, jer u tim čistim zonama se zbila zazgradnja (liza) bakterijskih ćelija. Zbog znatne moći preživljavanja i širenja u prirodi, bakteriofagi se često koriste u dokazivanju bakterijskih onečišćenja, kada se same bakterije više ne mogu dokazati.
 
Kao što je već pomenuto, bakteriofagi nemaju sopstveni metabolizam, pa im je za reprodukciju neophodan biološki domaćina koji ga posjeduje. U slučaju bakteriofaga to odgovarajuća (specifična) bakterijska ćelija. Tipski proces razmnožavanja faga obično se odvija u pet faza:
#priljubljivanje i vezanje krajeva faga za zid napadnute bakterijske ćelije, koji su uočljivi kao tanki repni filamenti (niti) na površinskoj strukturi bakterijske ćelije domaćina;
#injektiranje (unošenje) DNK ili RNK faga u bakterijsku ćeliju. Pritom omotač faga ostaje na površini bakterijske membrane u vidu nefunkcijskog proteina;
#latentna faza je obilježena stanjem kada se u bakterijskoj ćeliji još uvijek ne mogu uočiti niti dokazati strukture bakteriofaga. Tada počinje transkripcija virusnog genoma i translacija viruse iRNK, na kojoj počiva replikacija virusnih nukleinskih kiselina. Ova faza može potrajati nekoliko sati;
#sazrijevanje se ogleda u svojevrsnom sklapanju, odnosno sastavljanju novonastalih dijelova faga (ansembliranje faga);
#oslobađanje novih virusnih čestica se odvija tokom razgradnje (liziranja) domaćinske bakterijske ćelije ili se kod nekih bakterija dešava samo uključivanje pojedinih genetičkih informacija faga u bakterijski genom. Nastaju desetine, nekada stotine novih bakterijskih virusa – faga, iskorištavanja infrastrukture i gradivnog materijala bakterijske ćelije bakterijskog domaćina.

## Replikacija 
thumb|right|180px|Dijagram procesa injektiranja DNK
Bakteriofag može imati litički ili lizogeni ciklus, a nekoliko virusa su sposobni za obavljanje oba. Kod *litičkih faga *, kao što je T4 fag, bakterijske ćelije se se otvaraju lomom zida (liziraju) i uništavaju nakon neposredne replikacije viriona. Čim je ćelija uništena, potomstvo faga nalai nove domaćine da ih zarazi. Litički fagi su pogodne za fagnu terapiju. Neki od njih prolaze kroz fenomen poznat kao inhibicija lize, gdje završeno potomstvo faga neće odmah lizirati iz ćelije, ako su vanćelijske kstracelularne koncentracije faga visoke. Ovaj mehanizam nije identična onom k od umjerenih faga kod kojih je uspavanost (dormancija) obično privremena.

Nasuprot tome, *lizogeni ciklus* ne vodi u neposrednu razgradnju (lizu) ćelije domaćina. Ovi fagi, koji su u stanju da se podvrgnu lizogeniji, poznati su kao umjereni fag i. Njihov virusni genom se integrira sa DNK domaćina i replicira uz nju, relativno bezopasno ili možda čak i postje uspostavljen kao plazmid. Virus ostaje uspavan dok pogoršava uvjete domaćina, možda zbog iscrpljivanja hranjivih tvari; tada endogeni fagi (poznati kao profagi) postaju aktivni. U ovom trenutku oni pokrenu reprodukcijski ciklus, što rezultira u lizu (razgradnju) ćelije domaćina. Kako lizogeni ciklus omogućava ćeliji domaćina da nastavi preživljavanje i razmnožavanje, virus se ponavlja u svim potomcima ćelije.

Primjer bakteriofaga koji može pratiti lizogene ciklus i litički ciklus faga poznat je kao lambda fag *E. coli *.
Ponekad prophagi mogu pružiti i korist domaćinskoj bakteriji , jer miruju dodavanjem novih funkcija u bakterijski genom u fenomenu koji je nazvan lizogena konverzija. Primjeri su pretvaranje bezopasnih sojeva bakteriofaga *Corynebacterium diphtheriae* ili *Vibrio cholerae*, visoke zaraznosti, koji uzrokuju difteriju , odnosno koleru. Predložene su strategije za borbu protiv određenih bakterijskih infekcija koje ciljaju ove toksin-kodirajuće profage.

### Vezanje i prodiranje
[thumb|180px|[Elektronska mikrografija prikazuje bakteriofage koji su prikačeni na bakterijsku ćeliju – virusi imaju veličinu i oblik kolifaga T1.]]
Za ulaz u ćelije domaćina, bakteriofagi se privezuju za specifične receptore na površini bakterija, uključujući i lipopolisaharidome, teihoične kiseline, proteine ili čak i bičeve. Ta specifičnost znači da bakteriofag može zaraziti samo određene bakterije, koje imaju receptore na koje se može vezati, što zauzvrat određuje opseg domaćin faga. Domaćinovi uvjeti rasta mogu uticati na sposobnost faga za vezanje i napasti ih. Kako se fagni viriona ne kreću samostalno, moraju se osloniti na slučajne susrete sa pravim receptorima u otopini (krvna i limfna cirkulacija, navodnjavanje, voda tla, itd).

Miovirusni (mišićni) bakteriofag koristi špricoliki mehanizam ubrizgavanja svog genetičkog materijala u ćeliju. Nakon što ostvari kontakt s odgovarajućim receptorom, repna vlakna se savijaju dovodeći osnovnu ploču bliže površini ćelije; ovo je poznato kao reverzibilno vezanje. Jednom potpuno privezivanje, nepovratna je veza koja pokreće i kontrakciju repa, eventualno uz pomoć adenozin-trifosfata (ATP) , koji je prisutan u repu, ubrizgavajući genetiički materijal kroz bakterijsku membranu.

Podoviruses nedostaje izduženog rep plašta slična onoj od myovirus, pa su umjesto toga koriste svoje male, zub-kao rep vlakana enzimatski da degradira dio stanične membrane prije umetanja njihov genetski materijal.

### Sinteza proteina i nukleinske kiseline
U toku od nekoliko minuta, bakterijski ribosomi pokreču prevođenje virusne iRNK u protein. Kod RNK-baziranih faga, RNK replikaza sintetira se u ranoj fazi procesa. Proteini mijenjaju bakterijsku RNK polimerazu, tako da prvenstveno transkribira virusne iRNK. Normalna sinteza domaćinskih proteina i nukleinskih kiselina je poremećena, a, umjesto toga, primorana je na proizvodnju virusnih proizvoda. Ovi proizvodi postaji dio novih viriona unutar ćelije, pomoćnici proteina koji pomažu u sastavljanju novog viriona ili proteina uključenih u ćelijsku razgradnju. Walter Fiers je bio prvi (1972.) koji je uspostavio potpunu nukleotidnu sekvencu gena i virusnog genoma bakteriofaga MS2 (1976.).

### Sklapanje viriona 
U slučaju T4 faga, izgradnja novih virusnih čestica uključuje pomoć pomagačima proteina. Prvo se kompletira osnova ploče, a repovi se na nju nadograde kasnije. Kapsidna glave, izgrađene odvojeno, spontano se spajaju s repovima. DNK se efikasno upakuje unutar glave. Cijeli proces traje oko 15 minuta.

thumb|right|180px|Dijagram tipske strukture repatog bakteriofaga

### Otpuštanje viriona 
Fagi se mogu osloboditi putem razgradnje ćelija , ekstrudiranjem, ili, u nekim slučajevima, pupanjem. Liza, kod repatih faga postiže se enzimom endolizinom, koji napada i razdvaja ćelijske zidove od peptidoglikana. Posve drugačiji tip faga, vlaknasti fag, u ćeliji domaćina neprestano izlučuju nove virusne čestice. Otpušteni virusi su opisani kao slobodni, a ako nisu defektni, sposobni su zaraziti novu bakteriju. Pupanje je povezana s određenim *Mycoplasmama* fagima. Za razliku od otpuštanja viriona, fagi koji ispoljavaju lizogeni ciklus ne ubijaju domaćina, već češće postaju stalni stanovnici bakterije, kao profagi.

## Struktura genoma
Budući da postoji na milione različitih faga u okruženju, genomi faga dolaze u različitim oblicima i veličinama. RNK fagi, kao što je bakteriofag MS2 imaju najmanji genoma, od samo nekoliko kilobaza. Međutim, neki DNK fagi, kao što je bakteriofag T4 mogu imati veliki genoma sa stotinama gena.
Genom bakteriofaga može biti vrlo mozaičan, tj. genom mnogih vrsta faga se sastoji od brojnih pojedinačnih modula. Ovi moduli se mogu naći u drugim vrsta faga, u različitim aranžmanima.

Bakteriofagi *Mycobacteriophages* sa mikobakterijskim domaćinom – predstavljaju odlične primjere ovog mozaicizma. U ovim mikobakteriofaga, genetički asortiman može biti rezultat ponovljenih slučajeva mjesno-specifične rekombinacije i nelegitimne rekombinacije; to je posljedica uključivanja genoma faga u bakterijska genetičke sekvence domaćina. Treba napomenuti, međutim, da evolucijski mehanizmi oblikovanja genoma bakterijskih virusa variraju između različitih porodica i zavise od vrste nukleinskih kiselina, karakteristika virionske strukture, kao i načina virusnog životnog ciklusa.

## Reference 
## Vanjski linkovi 
* Animation of bacteriophage targeting E. coli bacteria
* Häusler, T. (2006) "Viruses vs. Superbugs", Macmillan
* Phage.org general information on bacteriophages
* bacteriophages illustrations and genomics 
* Bacteriophages get a foothold on their prey
* NPR Science Friday podcast, "Using 'Phage' Viruses to Help Fight Infection", April 2008
* Animation by *Hybrid Animation Medical* for a T4 Bacteriophage targeting *E. coli* bacteria.
* 

Kategorija:Bakteriofagi
Kategorija:Mikrobiologija