Em formação

4.7.6: Bacteriófagos virulentos e T4 - Biologia


O bacteriófago T-4 é um bacteriófago virulento que infecta a bactéria E. coli; bacteriófagos virulentos têm um ciclo de vida lítico.

objetivos de aprendizado

  • Resuma como o ciclo de vida do T4 serve como modelo para a virulência viral

Pontos chave

  • A virulência é o grau de patogenicidade dentro de um grupo ou espécie de parasitas, conforme indicado pelas taxas de letalidade e / ou a capacidade do organismo de invadir os tecidos do hospedeiro. A patogenicidade de um organismo é determinada por seus fatores de virulência.
  • Uma diferença chave entre os ciclos do fago lítico e lisogênico é que, no fago lítico, o DNA viral existe como uma molécula separada dentro da célula bacteriana e se replica separadamente do DNA bacteriano hospedeiro.
  • As fibras da cauda do T-4 permitem a fixação a uma célula hospedeira, e a cauda do T4 é oca para que possa passar seu ácido nucleico para a célula que está infectando durante a fixação. T4 é capaz de sofrer apenas um ciclo de vida lítico e não o ciclo de vida lisogênico.

Termos chave

  • ciclo lítico: Processo normal de reprodução viral que envolve a penetração da membrana celular, síntese de ácido nucleico e lise da célula hospedeira.
  • virulência: o grau de patogenicidade dentro de um grupo ou espécie de parasitas, conforme indicado pelas taxas de letalidade e / ou a capacidade do organismo de invadir os tecidos do hospedeiro.

A virulência é o grau de patogenicidade dentro de um grupo ou espécie de parasitas, conforme indicado pelas taxas de letalidade e / ou a capacidade do organismo de invadir os tecidos do hospedeiro. A patogenicidade de um organismo é determinada por seus fatores de virulência. Os fatores de virulência do vírus determinam se uma infecção ocorrerá e quão graves são os sintomas da doença viral resultante. Os vírus geralmente requerem proteínas receptoras nas células hospedeiras às quais se ligam especificamente. Normalmente, essas proteínas da célula hospedeira são endocitadas e o vírus ligado então entra na célula hospedeira. Vírus virulentos como o HIV, que causa a AIDS, têm mecanismos para escapar das defesas do hospedeiro.

Alguns fatores de virulência viral conferem capacidade de replicação durante as respostas inflamatórias defensivas do hospedeiro, como durante a febre induzida por vírus. Muitos vírus podem permanecer dentro de um host por longos períodos durante os quais poucos danos são causados. Cepas extremamente virulentas podem eventualmente evoluir por mutação e seleção natural na população de vírus dentro de um hospedeiro. O termo “neurovirulento” é usado para vírus como a raiva e o herpes simplex, que podem invadir o sistema nervoso e aí causar doenças.

Organismos modelo de vírus virulentos que foram extensivamente estudados incluem o vírus T4 e outros bacteriófagos T-even que infectam Escherichia coli e várias bactérias relacionadas.

O ciclo lítico é um dos dois ciclos de reprodução viral, sendo o outro o ciclo lisogênico. O ciclo lítico é normalmente considerado o principal método de replicação viral, pois resulta na destruição da célula infectada. Uma diferença chave entre os ciclos do fago lítico e lisogênico é que, no fago lítico, o DNA viral existe como uma molécula separada dentro da célula bacteriana e se replica separadamente do DNA bacteriano hospedeiro. A localização do DNA viral no ciclo do fago lisogênico está dentro do DNA do hospedeiro, portanto, em ambos os casos, o vírus / fago se replica usando a maquinaria do DNA do hospedeiro, mas no ciclo do fago lítico, o fago é uma molécula separada flutuante livre para o DNA do hospedeiro .

O ciclo lítico é um ciclo de seis estágios. No primeiro estágio, chamado de “penetração”, o vírus injeta seus próprios ácidos nucléicos em uma célula hospedeira. Em seguida, os ácidos virais formam um círculo no centro da célula. A célula então copia erroneamente os ácidos virais em vez de seus próprios ácidos nucléicos. Em seguida, o DNA viral se organiza como vírus dentro da célula. Quando o número de vírus dentro da célula torna-se muito grande para a célula, a membrana se divide e os vírus ficam livres para infectar outras células. Alguns vírus escapam da célula hospedeira sem romper a membrana celular; em vez disso, eles brotam dele, levando uma parte da membrana com eles. Por ser característico do ciclo lítico em outras etapas, ele ainda pertence a essa categoria, embora às vezes seja denominado Ciclo Produtivo. HIV, influenza e outros vírus que infectam organismos eucarióticos geralmente usam esse método.

O bacteriófago T-4 é um bacteriófago que infecta a bactéria E. coli. Seu genoma de DNA de fita dupla tem cerca de 169 kbp de comprimento e é mantido em uma cabeça icosaédrica, também conhecida como capsídeo. T4 é um fago relativamente grande, com aproximadamente 90 nm de largura e 200 nm de comprimento (a maioria dos fagos varia de 25 a 200 nm de comprimento). As fibras da cauda permitem a fixação a uma célula hospedeira, e a cauda do T4 é oca para que possa passar seu ácido nucleico para a célula que está infectando durante a fixação. T4 é capaz de sofrer apenas um ciclo de vida lítico e não o ciclo de vida lisogênico.

O T4 Phage inicia uma infecção por E. coli reconhecendo os receptores da superfície celular do hospedeiro com suas fibras de cauda longa (LTF). Um sinal de reconhecimento é enviado através dos LTFs para a placa de base. Isso desfaz as fibras de cauda curta (STF) que se ligam irreversivelmente à superfície da célula de E. coli. A placa de base muda de conformação e a bainha da cauda se contrai, fazendo com que o GP5 na extremidade do tubo da cauda perfure a membrana externa da célula. O domínio lisozima de GP5 é ativado e degrada a camada periplasmática de peptidoglicano. A parte restante da membrana é degradada e então o DNA da cabeça do fago pode viajar através do tubo da cauda e entrar na E. coli.

O ciclo de vida lítico (desde a entrada na bactéria até sua destruição) leva aproximadamente 30 minutos (a 37 ° C) e consiste em:

  • Adsorção e penetração (começando imediatamente)
  • Interrupção da expressão do gene hospedeiro (começando imediatamente)
  • Síntese enzimática (começando após 5 minutos)
  • Replicação de DNA (começando após 10 minutos)
  • Formação de novas partículas de vírus (começando após 12 minutos)

Após a conclusão do ciclo de vida, a célula hospedeira se abre e ejeta os vírus recém-construídos no ambiente, destruindo a célula hospedeira. T4 tem um tamanho de explosão de aproximadamente 100-150 partículas virais por hospedeiro infectado. Os testes de complementação, deleção e recombinação podem ser usados ​​para mapear o locus do gene rII usando T4. Esses bacteriófagos infectam uma célula hospedeira com suas informações e, em seguida, explodem a célula hospedeira, propagando-se assim.

O fago T4 tem alguns recursos exclusivos, incluindo:

  • Íntrons semelhantes a eucariotos
  • Mecanismo de cópia de DNA de alta velocidade, com apenas 1 erro em 300 cópias
  • Mecanismos especiais de reparo de DNA
  • Ele infecta E. coli O157: H7

Bacteriófago: Introdução, Morfologia e Ciclo de Vida

Bacteriófago (fago grego - para comer bacteriófago, bactéria-cater) são vírus que infectam e parasitam bactérias. Eles causam lise de bactérias. Eles são abreviados como fagos.

Twart (1915) e d & # 8217Herelle (1917) observaram um minúsculo parasita invisível de bactéria que causou a lise da cultura de bacilos da disenteria (Sh. Shiga) e o nomeou bacteriófago.

Os fagos ocorrem amplamente em associação com bactérias no ambiente (fezes, esgotos).

Os bacteriófagos são altamente específicos para o hospedeiro e, com base no fago, é feita a tipagem das bactérias.

Morfologia do Bacteriófago:

Coli-phages, chamados de T-even fhages (T2, T4, T6& # 8230 series) que atacam E. coli são amplamente estudados. O fago T-even é um protótipo de vírus bacterianos.

Os fagos são em forma de girino e têm cabeça e cauda:

É hexagonal e contém um núcleo compactado de ácido nucléico (DNA de fita dupla) coberto por uma capa protéica (capsídeo). A cabeça do fago T4 tem um diâmetro de 65 nm e 100 nm de comprimento.

A cauda é cilíndrica e composta por um tubo ou núcleo oco central (7 nm de espessura) circundado por uma bainha contrátil (proteína) e uma placa de base terminal com fibras da cauda (geralmente em número de seis). Cada canto da placa de base contém um pino curto ou espigão e uma fibra de cauda longa de 130 nm. A cauda do fago T4 tem 100 nm de comprimento e 25 nm de diâmetro.

Ciclo de vida do bacteriófago:

Existem duas categorias de bacteriófagos com base em seu ciclo de vida:

(a) O fago virulento ou lítico produz a lise da célula infectada, liberando um grande número de vírus descendentes.

(b) Fago temperado ou lisogênico torna-se integrado ao cromossomo bacteriano e permanece em um estado dormente (profago). O profago é replicado sincronicamente com o cromossomo bacteriano e segregado para a célula filha durante a divisão bacteriana sem prejudicar a célula hospedeira. Os fagos são geralmente específicos para algumas cepas bacterianas, devido à presença de receptores específicos para fagos.

O ciclo de replicação do fago virulento é dividido em cinco fases sequenciais:

3. Síntese de componentes de fago,

4. Maturação e montagem, e

5. Liberação de vírus descendentes:

As partículas de fago entram em contato por colisão aleatória e um fago se liga a um local receptor específico na membrana da célula hospedeira por meio de fibras da cauda.

A adsorção ocorre minutos após o contato.

Após a adsorção do fago às bactérias, a bainha da cauda do fago se contrai e a placa de base e as fibras da cauda são mantidas firmemente contra a célula bacteriana. Como resultado, o núcleo oco é empurrado para baixo através da parte já enfraquecida da parede celular causada por um fago muramidase presente na placa de base.

O ácido nucléico viral desce pelo tubo oco semelhante à injeção por meio de uma seringa. O tubo não penetra na parede celular e a cabeça vazia (capsídeo) e a cauda permanecem do lado de fora como uma concha ou fantasma.

3. Síntese de componentes de fago:

Após a liberação do ácido nucléico na célula bacteriana, o genoma viral direciona a maquinaria biossintética da célula hospedeira para desligar o metabolismo celular normal e produzir componentes de novas partículas virais. Isso é efetuado pela síntese de enzimas específicas (chamadas proteínas precoces) necessárias para a síntese dos componentes do fago.

Subseqüentemente, a proteína tardia, as subunidades da cabeça e da cauda do fago aparecem. Alguns dos componentes aparecem no núcleo e outros no citoplasma da célula hospedeira.

4. Maturação e montagem:

Durante a maturação, ocorre a montagem espontânea da proteína da cabeça do DNA do fago e da proteína da cauda do fago. Cada componente do ácido nucleico do fago adquire um revestimento de proteína e, finalmente, as estruturas da cauda são adicionadas formando um vírion (partícula viral infectante).

Os fagos descendentes são rapidamente liberados pela lise da bactéria infectada. A enzima fágica (provavelmente muramidase) enfraquece a parede celular durante a replicação do fago. Como resultado, a bactéria infectada assume uma forma esférica. A concentração de muramidase aumenta no estágio final do ciclo de crescimento, que atua na parede celular já danificada causando lise da célula com liberação do fago da progênie.

O intervalo de tempo entre a entrada do ácido nucleico do fago na célula bacteriana e o aparecimento da primeira partícula fágica intracelular infecciosa é chamado de & # 8220 fase de eclipse & # 8221, porque os vírus não podem ser detectados dentro da célula hospedeira durante este período. O intervalo de tempo entre a infecção da célula hospedeira e o aumento repentino do vírus extracelular é chamado de & # 8220período latente & # 8221. A duração da fase de eclipse é de cerca de 15-30 minutos em fagos.

No ciclo lisogênico, o fago lítico (vegetativo) torna-se integrado com os cromossomos da célula hospedeira e é convertido em profago sem lise da célula bacteriana. O profago pode ser convertido em uma fase vegetativa virulenta (lítica) espontaneamente ou por agentes físicos e químicos (raios UV, H202, mostarda de nitrogênio).

Profago& # 8221 é um bacteriófago latente que retém seu DNA. A bactéria hospedeira que carrega o profago sem ser lisada por ele é chamada de & # 8220bactéria lisogênica& # 8220. O bacteriófago que parasita uma bactéria hospedeira sem lisá-lo é chamado de & # 8220fago temperado& # 8220. O profago pode ser perdido durante a multiplicação e multiplicação de bactérias lisogênicas por meio de excisão. O profago excisado pode infectar outras células bacterianas tornando-o lisogênico.

Significado do Bacteriófago:

Com base na suscetibilidade de diferentes cepas de bactérias a diferentes bacteriófagos, a tipagem de bactérias pode ser feita para identificação e estudos epidemiológicos. Epidemias de V. cholera, S. typhi, S. paratyphi e Staph, aureus podem ser detectadas por tipagem de fago. A tipagem de fago é mais útil na tipagem intra-espécies de bactérias, e. para distinguir V. cholera (clássico) de El tor biótipo V. cholera.

Para testar a bacteriólise, as preparações de fago são padronizadas por titulação. Diluições em série de preparações de fago são aplicadas em uma cultura de gramado de uma cepa bacteriana suscetível. A placa é incubada e observada a lise das bactérias. The & # 8220dose de teste de rotina& # 8221 (RTD) de fago é definido como a diluição mais alta da preparação de fago necessária para produzir lise confluente.

Quando os fagos são aplicados em uma cultura de gramado de cepa suscetível, zonas claras aparecem após a incubação. Essas zonas claras são conhecidas como placas. Um único fago produz apenas uma placa. O ensaio de fago é um método útil na titulação do número de fagos viáveis.

Os genes do profago podem alterar as propriedades da bactéria hospedeira, e. as toxinas de C. diphtheriae e Clostridium são determinadas por genes carregados no DNA do profago. A infecção por bacteriófago em S. typhi confere uma nova estrutura de superfície antigênica ao hospedeiro. Essa aquisição de novas propriedades por bactérias após a infecção por fago é chamada de & # 8220conversão de fago“.

Na transdução, os fagos atuam como portadores de genes de uma bactéria para outra.


Introdução

Os bacteriófagos foram descobertos há cerca de 100 anos 1. Esses vírus têm desempenhado um papel importante no desenvolvimento da biologia molecular e da biotecnologia 2. Para perceber sua importância na compreensão das bases moleculares dos processos biológicos, pode-se lembrar que estudos com bacteriófagos levaram à descoberta (entre outras coisas) de que o DNA é um material genético, que o código genético é baseado em trigêmeos de nucleotídeos e que a expressão gênica é procedeu através de moléculas de mRNA 3,4. Os bacteriófagos também desempenharam um papel crucial no desenvolvimento da engenharia genética e da biotecnologia. Na verdade, os primeiros vetores de clonagem foram baseados em bacteriófagos, e os sistemas comumente usados ​​para expressão gênica controlada e recombinação genética contêm genes e sequências regulatórias derivadas de genomas de bacteriófagos 5. Vale ressaltar que duas descobertas revolucionárias em biotecnologia - identificação de enzimas de restrição e CRISPRs - estão estritamente ligadas a mecanismos de interação entre bacteriófagos e seus hospedeiros 6. No entanto, até anos recentes, não havia atenção suficiente para o papel dos bacteriófagos no ambiente natural ou para a biodiversidade desses vírus. Na verdade, em estudos de biologia molecular e aplicações biotecnológicas, apenas um número muito limitado de bacteriófagos foi empregado, o que era razoável devido à escolha dos organismos modelo. No entanto, não refletiu a diversidade de bacteriófagos. Atualmente, essa diversidade parece extremamente alta. Os bacteriófagos são a forma de vida mais abundante, pois o número de entidades fágicas na Terra é estimado em 10 31, ou seja, 10 vezes mais do que o número de células bacterianas 7. Diante disso, nosso conhecimento relativamente pobre sobre a biodiversidade de bacteriófagos é surpreendente. Embora 1.910 sequências completas do genoma de bacteriófago (e 77 genomas de vírus que infectam arquéias) tenham sido depositadas no banco de dados do NCBI, esse número é baixo em comparação com 67.806 sequências completas do genoma de bactérias (em 17 de abril de 2016 http: //www.ncbi .nlm.nih.gov / genome /). No entanto, pelos dados disponíveis pode-se deduzir uma enorme diversidade de bacteriófagos, que é conhecida apenas em um pequeno fragmento, como indicado nos mais novos trabalhos focados neste problema 6,8,9.

A grande maioria dos estudos atuais sobre a diversidade de bacteriófagos concentra-se em em sílico análises de sequências de nucleotídeos de seus genomas. Tais estudos fornecem informações extremamente interessantes sobre a variabilidade genética de genomas de fago, no entanto, eles também indicam que existe um grande número de genes de fago cuja função não pode ser prevista devido à semelhança muito baixa, ou falta dela, com genes já conhecidos 9. Sob esta luz, pode-se concluir que estudos sobre bacteriófagos isolados recentemente revelando fenótipos interessantes devem ser de particular interesse. Devido à enorme biodiversidade de bacteriófagos, que é difícil de estimar em sua totalidade, G. F. Hatfull sugeriu que os estudos nesta área podem resultar em descobertas que se revelem novos marcos na biotecnologia 6. De fato, trabalhos recentes relatam o início de estudos em larga escala voltados para a descoberta de bacteriófagos em amostras ambientais e análises de seus genomas 9,10.

Em nosso projeto atual, aplicamos uma estratégia diferente, que é uma abordagem nova, considerando os trabalhos publicados anteriormente sobre análises amplas de bacteriófagos. Enquanto os projetos genômicos em larga escala são baseados no isolamento de um grande número de bacteriófagos, sequenciamento de seus genomas e em sílico nas análises, em nossos estudos, nos concentramos na biodiversidade de fagos, ou seja, investigando a variedade biológica e fisiológica desses vírus. Essas análises devem indicar o nível de diversidade biológica das propriedades dos bacteriófagos no sentido de suas características de desenvolvimento sob várias condições. Além de determinar o nível de variabilidade das características dos bacteriófagos, isso também pode fornecer o ponto de partida para estudos adicionais sobre os mecanismos moleculares de características incomuns do fago putativo. Além disso, este tipo de pesquisa pode fornecer uma base para determinar características recentemente descobertas de bacteriófagos que podem ser úteis em aplicações biotecnológicas e médicas. Entre eles, a construção de novos vetores e o desenvolvimento de terapia bacteriófago parecem ser os novos aspectos provavelmente aplicáveis ​​de tais estudos, uma vez que atualmente esses campos de pesquisa de bacteriófagos estão se desenvolvendo de forma particularmente rápida 11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20. Neste trabalho, o foco particular foi colocado na caracterização morfológica e biológica de um grande grupo de bacteriófagos isolados de esgoto urbano, que foi considerada uma fonte rica desses vírus. Esse tipo de estudo inovador forneceu um exemplo do nível de biodiversidade de bacteriófagos isolados em um único lugar. Além disso, surgiram potenciais aplicações biotecnológicas e médicas dos resultados desses estudos, tornando possível o uso desses bacteriófagos na construção de novas ferramentas de engenharia genética e terapia bacteriófago.


Imunógenos F1-V arranjados com nanopartículas de bacteriófago T4 e mutados de Yersinia pestis como vacinas contra a praga de próxima geração

A peste pneumônica é uma doença infecciosa altamente virulenta com taxa de mortalidade de 100% e seu organismo causador, Yersinia pestis, representa uma séria ameaça para o uso deliberado como agente bioterror. Atualmente, não há vacina aprovada pelo FDA contra a peste. A proteína capsular bacteriana polimérica F1, um componente chave da vacina de subunidade bivalente atualmente testada que consiste, além disso, em antígeno V de baixa resposta ao cálcio, tem alta propensão a se agregar, afetando sua purificação e eficácia da vacina. Usamos duas abordagens básicas, projeto de imunogênio baseado em estrutura e entrega de nanopartículas de fago T4, para construir novas vacinas contra a peste que forneceram proteção completa contra a peste pneumônica. A cadeia β do terminal NH2 de F1 foi transplantada para o terminal COOH e a sequência que flanqueia a cadeia β foi duplicada para eliminar a polimerização, mas para reter os epítopos de células T. O F1 mutado foi fundido ao antígeno V, um fator de virulência chave que forma a ponta do sistema de secreção tipo três (T3SS). A proteína F1mut-V mostrou uma mudança dramática na solubilidade, produzindo um monômero completamente solúvel. O F1mut-V foi então arranjado na nanopartícula do fago T4 através da pequena proteína do capsídeo externo, Soe. O monômero F1mut-V foi fortemente imunogênico e o F1mut-V decorado com T4 sem qualquer adjuvante induziu respostas TH1 e TH2 balanceadas em camundongos. A inclusão de um YscF deficiente em oligomerização, outro componente do T3SS, mostrou um ligeiro aumento na potência da vacina F1-V, enquanto a deleção da sequência imunomoduladora putativa do antígeno V não melhorou a eficácia da vacina. Tanto o solúvel (F1mut-V purificado misturado com alhydrogel) quanto o F1mut-V decorado com T4 (sem adjuvante) forneceram 100% de proteção a camundongos e ratos contra a peste pneumônica evocada por altas doses de Y. pestis CO92. Essas novas plataformas podem levar a vacinas contra a praga da próxima geração eficazes e facilmente fabricáveis.

Declaração de conflito de interesse

Os autores declararam que não existem interesses conflitantes.

Figuras

Figura 1. Novos projetos de imunógenos de peste.

Figura 1. Novos projetos de imunógenos de peste.

Esquema de várias abordagens usadas para projetar imunógenos de peste.…

Figura 2. Projeto de mutantes monoméricos F1.

Figura 2. Projeto de mutantes monoméricos F1.

( UMA ) Esquema de F1 nativo, F1mut1 e ...

Figura 3. Construção de imunógenos F1-V mutados.

Figura 3. Construção de imunógenos F1-V mutados.

( UMA ) Esquema de F1-V nativo, F1mut-V ...

Figura 4. Um mutante YscF deficiente em oligomerização.

Figura 4. Um mutante YscF deficiente em oligomerização.

( UMA ) Esquema de YscF nativo e ...

Figura 5. Engenharia de F1, V e ...

Figura 5. Engenharia de antígenos F1, V e YscF e exibição na nanopartícula do fago T4.

Figura 6. O mutante F1 monomérico solúvel ...

Figura 6. A proteína monomérica F1 mutante solúvel elicia títulos robustos de anticorpos e fornece…

Figura 7. A nanopartícula de T4 exibida praga ...

Figura 7. A nanopartícula de T4 exibida imunógenos de praga induziu imunogenicidade robusta e eficácia protetora contra ...

Figura 8. O T4 exibiu imunógenos de praga ...

Figura 8. O T4 exibido imunógenos de peste gerou T balanceado H 1

Figura 9. Os mutantes F1mut-V e F1mut-V10 ...

Figura 9. Os mutantes F1mut-V e F1mut-V10 mostram imunogenicidade e proteção comparáveis ​​contra a peste pneumônica.

Figura 10. Indução de citocinas pró-inflamatórias por ...

Figura 10. Indução de citocinas pró-inflamatórias por imunógenos F1mut-V e F1mut-V10.

Figura 11. O mutado e o T4 exibidos…

Figura 11. Os antígenos da peste mutados e T4 exibidos forneceram proteção completa contra Y. pestis ...


Os bacteriófagos podem tornar as bactérias prejudiciais aos humanos

Os bacteriófagos desempenham um papel nas doenças humanas, transformando algumas bactérias inofensivas em agentes causadores de doenças. Algumas espécies de bactérias, incluindo E. coli, Streptococcus pyogenes (causa a doença devoradora de carne), Vibrio cholerae (causa cólera), e Shigella (causa disenteria) tornam-se prejudiciais quando genes que produzem substâncias tóxicas são transferidos para eles por meio de bacteriófagos. Essas bactérias são então capazes de infectar humanos e causar intoxicação alimentar e outras doenças mortais.


Bacteriófago e fago lítico e lisogênico # 8211

Os vírus que parasitam as bactérias são chamados de bacteriófagos. Os bacteriófagos mais estudados são T2, T4 e T6. Os bacteriófagos são geralmente de duas simetrias, que são cúbicas e helicoidais. Os bacteriófagos cúbicos são regulares ou icosaédricos com 20 faces. Os bacteriófagos helicoidais são em forma de bastonete. A cabeça do bacteriófago é hexagonal, estrutura em forma de prisma. Dentro da cabeça está presente DNA de fita dupla. A cauda é uma bainha composta por proteínas. O ciclo lítico consiste em 1) fixação: fixe-se ao local do receptor na parede celular bacteriana por meio de ligação fraca 2) penetração: liberação da cauda da enzima lisozima para dissolver a parede celular bacteriana. O fago injeta seu DNA na parede celular 3) replicação: o DNA viral assume o controle do maquinário biossintético do hospedeiro 4) lise: as bactérias sofrem lise. O fago que causa o ciclo lítico é denominado fago lítico ou virulento. O fago que causa a lisogenia é denominado fago temperado ou lisogênico.

O que são bacteriófagos?

Um bacteriófago, também chamado simplesmente de fago, é um tipo de infecção viral que contamina bactérias. Na verdade, a palavra “bacteriófago” significa literalmente “comedor de bactérias”, devido ao fato de que os bacteriófagos destroem suas células hospedeiras.

Estrutura do Bacteriófago

Todos os bacteriófagos são compostos por uma molécula de ácido nucléico que é circundada por uma estrutura de proteína. Os bacteriófagos ocorrem em 2 tipos estruturais com simetria cúbica ou helicoidal. Em geral, os fagos cúbicos são sólidos regulares ou icosaédricos (com 20 faces) e os fagos helicoidais são formados por bastonetes. Muitos fagos consistem em cabeça e cauda. Nesses casos, as cabeças são poliédricas, mas as caudas são em forma de bastão.

The T Phage

Pesquisas anteriores sobre bacteriófagos foram principalmente sobre um número restrito de fagos que infectam Escherichia coli. Destes, os fagos mais conhecidos são os fagos T (T de tipo).

Entre os fagos T, o T2 e T4 Os fagos são usados ​​principalmente em estudos de fagos.

Estrutura do T Phage

A estrutura geral do T4, estudado com microscopia eletrônica, assemelha-se ao de um girino, consistindo de cabeça e cauda. A cabeça é uma estrutura piramidal estendida (tendo duas estruturas triangulares com uma base típica), hexagonal, estrutura em forma de prisma, à qual uma cauda reta é conectada. Dentro da cabeça, a molécula de DNA de fita dupla está presente.

A estrutura da cauda do fago é mais complicada do que a da cabeça. Uma camada de proteína distinta forma o tubo interno ou núcleo, que é confinado em uma bainha composta por outro tipo de proteína. De um lado da bainha está o colar e do outro lado está a placa terminal. À placa terminal estão conectadas seis fibras da cauda, ​​que são as estruturas de fixação. O volume do fago é cerca de 1/1000 da bactéria (hospedeiro).

Processo de Vida do Bacteriófago T

O bacteriófago se duplica apenas dentro da célula bacteriana. A etapa inicial na replicação de um bacteriófago é a sua anexo (adsorção) às células hospedeiras no local do receptor na parede celular da bactéria. Durante a fixação, ocorre a semana de união química entre o vírion e o local do receptor.

Na próxima etapa, penetração, a cauda libera a enzima lisozima para dissolver uma parte da parede celular bacteriana. A bainha da cauda se contrai e o núcleo da cauda é empurrado para dentro da célula através da parede celular e da membrana celular. O bacteriófago injeta seu DNA na célula exatamente quando a seringa é utilizada para injetar a vacina. A capa protéica, que forma a cabeça do fago e a estrutura da cauda do vírus, permanece fora da célula. Muitos vírus animais, entretanto, entram na célula hospedeira como um todo.

Fago lítico ou virulento

Instantaneamente após entrar na célula hospedeira, o ácido nucleico viral assume o controle do equipamento biossintético do hospedeiro e induz a célula hospedeira a sintetizar os componentes virais necessários (DNA, proteínas) e começa a se multiplicar. Cerca de 25 minutos após a infecção preliminar, cerca de 200 bacteriófagos novos são formados, as células bacterianas estouram, ou seja, ele passa por lise. Os fagos recém-formados são liberados para infectar as bactérias e outro ciclo, o ciclo lítico, começa. O fago que causa a lise da célula hospedeira é chamado fago lítico ou virulento.

Fago Lisogênico ou Temperado

Todas as infecções de células bacterianas por fagos não levam à lise. Em alguns casos, o DNA viral, em vez de assumir o controle do equipamento do hospedeiro, acaba sendo integrado ao cromossomo bacteriano. O fago neste estado é denominado profago e este procedimento é denominado lisogenia. Nessa condição, a bactéria continua a viver e se replicar normalmente.

O DNA viral, sendo a parte do cromossomo bacteriano, passa para cada célula filha em todas as gerações subsequentes. Às vezes, no entanto, o DNA viral se separa do cromossomo do hospedeiro e o ciclo lítico começa. Este processo é chamado indução. As bactérias lisogênicas são resistentes à infecção pelos mesmos fagos ou por fagos associados. O fago que desencadeia a lisogenia é chamado fago temperado (lisogênico).


5. Aumentando a atividade de bacteriófagos

Uma preocupação com o desenvolvimento comercial de bacteriófagos como agentes de controle tem sido historicamente a opinião de que não era possível patentear bacteriófagos naturais. Isso é incorreto, conforme demonstrado pelas patentes concedidas a vários grupos protegendo tais bacteriófagos, com base, como para todas as patentes, na novidade e na atividade & # x0201csurprising & # x0201d [14,28,29]. No entanto, várias empresas têm tentado usar bacteriófagos modificados, o que tem o efeito de aumentar a novidade inerente à sua posição de propriedade intelectual.

Uma abordagem para isso é a adição de fatores de aumento da virulência ao genoma do bacteriófago. Esta foi a abordagem feita por Lu e Collins [30], que inseriram um gene para Dispersina B (uma glicosídeo hidrolase conhecida por ter atividade de dispersão de biofilme) em Escherichia coli bacteriófago T7. Este foi então expresso em níveis elevados durante a infecção, sendo liberado na matriz extracelular a partir das células lisadas. Lu e Collins [30] descobriram que isso melhorou substancialmente a remoção de biofilme em comparação com o pai T7 (que era um recombinante, contendo um gene do bacteriófago T3 para permitir a replicação neste sistema). T7 naturalmente produz uma endopeptidase, mas não produz uma despolimerase de polissacarídeo. Isso parece ter representado um sistema experimental selecionado para destacar o efeito da enzima expressa, uma vez que Lu e Collins [30] notaram que & # x0201cE # x0201d. Essa abordagem foi então inserida em desenvolvimento comercial, voltada para uso na remoção de biofilme em processos industriais.

O valor desse tipo de abordagem, com a regulação adicional inerente ao uso de organismos geneticamente modificados (OGM), deve ser considerado juntamente com a capacidade demonstrada de pelo menos alguns bacteriófagos naturais para atingir biofilmes de forma eficaz. Claramente, a geração de novos bacteriófagos recombinantes desta forma aumenta a patenteabilidade, mas isso deve ser considerado juntamente com o potencial para o desenvolvimento de bacteriófagos naturais para este propósito.

Deve-se notar que Lu e Collins [30] usaram uma enzima solúvel, liberada da célula infectada por lise. Isso é relativamente simples em comparação com a expressão de engenharia dentro da partícula do vírus, onde há muito mais restrições na atividade, a menos que métodos mais permissivos, como a exibição de fago, sejam usados.

A abordagem alternativa de co-administrar bacteriófagos com agentes dispersantes de biofilme, como alginato-liases ou mesmo enzimas DNase (como o produto comercial Pulmozyme), também foi sugerida [14]. No entanto, isso não permitiria que tais agentes estivessem presentes para as gerações sucessivas de bacteriófagos, ao contrário daqueles que são expressos de dentro do genoma do bacteriófago.


Topoisomerases de DNA: Bioquímica e Biologia Molecular

Genes da topoisomerase do bacteriófago par T IV

Escherichia coli os bacteriófagos T2, T4 e T6 codificam um DNA topo II que é diferente das enzimas do hospedeiro. Essas enzimas relaxam o DNA superélico em uma reação dependente de ATP e são incapazes de introduzir transformações super-helicoidais no DNA. Além disso, os fármacos cumarina e F-quinolona não são inibidores eficazes das enzimas fágicas. As estruturas de subunidades das enzimas T4 e T2 / T6 não são as mesmas. (T2 and T6 are nearly identical.) They represent a striking example of partitioning the encoding peptide into separate genes which clearly define the domains of the larger peptide. In T4 the enzyme is encoded by three genes, namely, 39, 60, and 52. The T4 39 protein has an ATPase activity, 52 is the cutting–rejoining unit, and 60 is required for tight complex formation between the 39 and 52 proteins ( Huang, 1990 ). The derived amino acid sequences of the T4 genes can be aligned with those of the bacterial gyrB e gyrA genes: The T4 39 protein sequence (519 amino acids) can be aligned with the N-terminal portion of the GyrB protein and the T4 60 protein (160 amino acids) can be aligned with the C-terminal of the GyrB protein. The T4 52 protein (421 amino acids) is homologous to the N-terminal portion of the GyrA protein, which includes the region encompassing the reactive tyrosine residue where the transient protein–DNA bridge is formed during the DNA strand passage reaction. The topoisomerase genes are highly conserved among the three phages (higher than 85%), and the subunits are freely interchangeable. In T2 genes 39 and 60 are fused into one gene (605 amino acids), and it is equivalent to gyrB ( Huang, 1990 ). The T2 39 gene, along with the 52 gene, encode the smallest topo II. These prokaryotic phage proteins share significant homology with the bacterial gyrase and the ParE and ParC proteins. However, like the ParE and ParC proteins, not all of the consensus amino acids identified in the gyrase alignment are found in the phage genes. Because the phage topo II activity is more akin to the eukaryotic enzymes, the sequence alignment is displayed in Fig. 3 .

Fig. 3. Alignment of the topo II proteins. Sequences were from the GenBank data base. Critfa, Crithida fasiculata ( Pasion et al., 1992 ) Trybru, Trypanosome brucei ( Strauss and Wang, 1990 ) HuIIA, human Top2α ( Tsai-Pflugfelder et al., 1988 ) HuIIB, human Top2β (C. A. Austin, J. H. Sng, S. Patel, and L. M. Fisher, personal communication) Dros2, Drosophila melanogaster ( Wyckoff et al., 1989 ) Ytsc2, Saccharomyces cerevisiae ( Giaever et al., 1986 ) Pomb2, Schizosaccharomyces pombe ( Uemura et al., 1986 ) T2topo, bacteriophage T2 topoisomerase, which combines the 39 and 52 proteins ( Huang, 1990 ) cons, consensus sequence for the cellular and T2 topo II proteins [does not include ASFV (African swine fever virus), which is shown below the cons line] ( Garcia-Beato et al., 1992 ) * (in the 910 block), reactive tyrosine with which a covalent protein–DNA bridge is formed during the topoisomerization reaction + (in the 610 block), junction where the T4 39 and 60 proteins fused to form the T2 39 protein and + (in the 730–740 blocks), space between the T2 39 and 52 proteins.

It is interesting to note that the amino acid residues of GyrA proteins which are most important for F-quinolone sensitivity ( Section II,D,2 ), namely, the S83 and D87 residues, are different in the T-phage proteins. The critical residue, R136, which is responsible for coumarin sensitivity ( Section II,D,1 ), is also different in the phage protein. These assignments are consistent with the observation that the phage topoisomerases are not sensitive to the gyrase-targeted antibiotics but are inhibited by antitumor drugs such as m-AMSA ( Huang, 1990 Huff et al., 1989 ). When the T-phage proteins are correlated with the three-dimensional structure of the corresponding E. coli GyrB protein fragment, among the residues that are proposed to contact the triphosphate moiety, N46, Q335, and K337 are conserved and K103 is not among those that contact the adenine ring, D73 is conserved and Y109 is not. The extensive sequence homology in the N-terminal 400 amino acids of the T2 39 protein with the gyrases seems to imply that the ATP-binding pocket may be similar, yet the fine details with which the phage protein interacts with ATP are not the same. This is also consistent with the known enzymatic properties of the enzymes, in that the phage proteins require ATP for DNA relaxation, whereas gyrases do not.


Question : What are the differences between virulent and temperate bacteriophages? Select all that apply Prophages that encode virulence factors are always temperate bacteriophages. Temperate bacteriophages respond differently to healthy and unhealthy host cells. Only temperate bacteriophage genomes are inherited by bacterial cell division. Only temperate

Prophages that encode virulence factors are always temperate bacteriophages.

Temperate bacteriophages respond differently to healthy and unhealthy host cells.

Only temperate bacteriophage genomes are inherited by bacterial cell division.

Only temperate bacteriophages are capable of lysogeny.

Virulent bacteriophages infect humans as well as bacteria.

Specialized transduction is only performed by temperate bacteriophages.

Generalized transduction is only performed by virulent bacteriophages.

Prophages that encode virulence factors are always virulent bacteriophages.

Only virulent bacteriophages are capable of the lytic cycle.

A representative virulent bacteriophage is T4 a representative temperate bacteriophage is λ.


Conclusão

Details given above give a glimpse of the large range of applications of phages in the field of biotechnology and medical science. The applications of phages range from the diagnosis of the disease, through phage typing, and its prevention (phage vaccine), to the treatment (phage therapy). There is the hope that phages could be useful to humans in many ways. By making a cock tail of phages it would become easy to treat a wide variety of bacterial infections that are otherwise resistant to the latest generations of antibiotics. A phage can be used individually to treat a bacterial infection by lysing the bacterial cell as it is having the lytic potential. At the same time the versatility of phages would allow us to use the antibodies against the bacteria that have been displayed on the phage surface. Similarly a protective antigen could be delivered as a DNA or phage display vaccine. So a mixture of phages that are modified genetically would be more helpful in addressing all these problems. Phages have also been good to cope with the food spoilage problem, and to treat the bacterial infection of plants and fruits.

There are some concerns about the use of phages. It includes the safety and efficacy issues, as well as immune response to the administered phages. Growth optimization and purification strategies of phages are also some issues needed to be addressed. Due to the rapid progress in the fields of biotechnology and molecular biology it is hoped that these entities (phages) which are present abundantly in the biosphere could answer many questions human beings are having.


Assista o vídeo: Reprodução do bacteriófago - Diversidade dos Seres Vivos - Biologia (Dezembro 2021).