باکتریوفاژها چه موجوداتی هستند و چه نقشی در میکروبیولوژی دارند؟

آیا تا‌به‌حال نام باکتریوفاژها را شنیده‌اید؟

بدون شک نام باکتری، ویروس و قارچ به گوشتان خورده است. گونه‌های مختلف این میکروارگانیسم‌ها توانایی بیماری‌زایی در انسان را دارند. اما بسیاری از آن‌ها را می‌توان با استفاده از داروها و یا مواد ضدعفونی کننده از بین برد. جالب است بدانید که خود این میکروارگانیسم‌ها نیز برخی مواقع به هم حمله می‌کنند و یکدیگر از ازبین می‌‎برند. باکتریوفاژ (Bacteriophages) در واقع ویروسی است که باکتری‌ها را آلوده می‌کند. باکتریوفاژها برای اولین بار در سال 1915 کشف شدند و نقش منحصر به فردی در زیست شناسی ویروسی ایفا کردند.  به همین دلیل در ادامه قصد داریم به معرفی این ویروس‌های باکتری‌‌ خوار بپردازیم.

باکتریوفاژ چیست؟

باکتریوفاژها با اسامی فاژ یا فاژ باکتری نیز شناخته می‌شوند. باکتریوفاژ در واقع یک ویروس است که در باکتری‌ها تکثیر می‌شود. این اصطلاح از دو واژه‌ی یونانی به معنای “باکتری” و “بلعیدن” گرفته شده است.

از آنجایی که باکتریوفاژها ویروس هستند، از یک اسید نوکلئیک (DNA یا RNA) تشکیل شده‌اند که در یک پوسته پروتئینی یا کپسید محصور شده است. یک باکتریوفاژ همچنین ممکن است یک دم پروتئینی متصل به کپسید داشته باشد. این دم به فاژ کمک می‌کند تا به میزبان خود بچسبد. فاژها پس از تزریق ژنوم خود به سیتوپلاسم باکتری، در داخل باکتری تکثیر می‌شوند.

باکتریوفاژها در همه جا حضور دارند. تخمین زده می شود که بیش از 1031 باکتریوفاژ در این سیاره وجود دارد. جالب است بدانید که فاژها از اواخر قرن بیستم به عنوان جایگزینی برای آنتی بیوتیک‌ها در اتحاد جماهیر شوروی سابق و اروپای مرکزی و همچنین در فرانسه مورد استفاده قرار گرفتند. به همین دلیل از لحاظ بالینی حائز اهمیت هستند.

باکتریوفاژها سه نوع ساختار اصلی دارند:

• ژن‌های ویروسی در سر کپسید بدون دم
• ژن‌های ویروسی در سر کپسید با دم
• کپسید رشته‌ای یا میله‌ای شکل با DNA تک رشته‌ای مدور

باکتریوفاژهای ویروسی و چرخه لیتیک

باکتریوفاژها از طریق فرایندی به نام چرخه لیتیک (lytic cycle) باکتری‌ها را آلوده می‌کنند.

چرخه لیتیک برای فرآیند لیز نامگذاری شده است و زمانی رخ می‌دهد که یک ویروس یک سلول را آلوده کرده و ذرات ویروس جدید را تکثیر کند. به این ترتیب ویریون‌های جدید یا کمپلکس‌های ویروس آزاد می‌شوند تا بتوانند سلول‌های بیشتری را آلوده کنند.

در چرخه لیتیک، باکتریوفاژ به دیواره سلولی باکتری متصل می‌شود و DNA خود را به میزبان تزریق می‌کند. ویروس‌های تازه تولید شده همچنان به تعدادشان افزوده می‌شود و سلول میزبان خود را لیز می‌کنند. لیز منجر به از بین رفتن میزبان می‌شود. تولید مثل فاژ بسیار سریعتر از تولید مثل باکتریایی معمولی است، به همین دلیل کلنی‌‌های باکتری به سرعت از بین می‌روند.

باکتریوفاژهای ویروسی و چرخه لیزوژنیک

گاهی اوقات باکتریوفاژها بدون از بین بردن سلول میزبان، تولید مثل می کنند. این کار از طریق چرخه لیزوژنیک (Lysogenic Cycle) انجام می‌شود. در چرخه لیزوژنیک، DNA ویروسی از طریق نوترکیبی ژنتیکی به کروموزوم باکتری وارد و تکثیر می‌شود. سپس ویروس وارد حالت خفته می‌شود.  چرخه لیزوژنیک به عنوان چرخه معتدل نیز شناخته می شود زیرا میزبان در آن کشته نمی‌شود.

هنگامی که باکتری میزبان تکثیر می‌شود، ژنوم پروفاژ نیز تکثیر می‌شود و به سلول‌های دختری باکتری منتقل می‌شود. سلول میزبانی که حامل پروفاژ است، پتانسیل لیز کردن را دارد، بنابراین به آن سلول لیزوژنیک می‌گویند.

 تحت شرایط محرک، پروفاژ ممکن است از چرخه لیزوژنیک به چرخه لیتیک تغییر کند. این منجر به لیز سلول باکتری می‌شود. به عنوان مثال، ویروس تبخال در ابتدا پس از عفونت وارد چرخه لیتیک می‌شود و سپس به چرخه لیزوژنیک تغییر می‌کند. در واقع ویروس وارد یک دوره نهفته می‌شود و می‌تواند ماه‌ها یا سال‌ها در بافت سیستم عصبی باقی بماند، بدون اینکه بدخیم شود. پس از تحریک، ویروس وارد چرخه لیتیک می‌شود و ویروس‌های جدیدی تولید می‌کند.

باکتریوفاژها و چرخه شبه لیزوژنیک

باکتریوفاژها همچنین ممکن است چرخه زندگی کمی متفاوت از هر دو چرخه لیتیک و لیزوژنیک را نشان دهند. در چرخه شبه لیزوژنیک، DNA ویروسی تکثیر نمی‌شود و وارد ژنوم باکتری نیز نمی‌گردد.

چرخه شبه لیزوژنیک معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که مواد مغذی کافی برای حمایت از رشد باکتری‌ها وجود نداشته باشد. در این شرایط، ژنوم ویروسی به عنوان یک پیش پروفاژ شناخته می شود. هنگامی که سطح مواد مغذی به حالت کافی برگشت، پیش پروفاژ ممکن است وارد چرخه لیتیک یا لیزوژنیک شود.

باکتریوفاژها چگونه مواد ژنتیکی حجیم خود را در کپسیدهای خود جای می‌دهند؟

باکتریوفاژها  RNA دارای مکانیزم تاشوندگی هستند که ژنوم ویروس را قادر می‌سازد تا درون کپسید قرار گیرد. اما به نظر می‌رسد که تنها ژنوم RNA ویروسی این مکانیسم تاشو را دارد.

ویروس‌های DNA با کمک آنزیم‌های خاصی به نام آنزیم‌های بسته‌کننده (packing enzymes)، ژنوم خود را درون کپسید قرار می‌دهند.

آیا باکتریوفاژها برای انسان مضر هستند؟

باکتریوفاژها می‌توانند برخی از باکتری‌های بی ضرر را به عوامل میکروبی برای انسان تبدیل کنند. از همین رو، می‌توانند برای انسان نیز مضر باشند.

برخی از گونه‌های باکتریایی زمانی مضر می‌شوند که باکتریوفاژها به آن‌ها منتقل شود. این باکتری‌ها می‌توانند انسان را آلوده کرده و باعث مسمومیت غذایی و سایر بیماری‌های کشنده شوند.به عنوان مثال:

• e.Coli
• Streptococcus pyogenes که باعث بیماری گوشتخواری می‌شود.
• Vibrio cholerae که باعث وبا می‌شود.
• Shigella که باعث اسهال خونی می‌شود.

فواید باکتریوفاژها چیست؟

باکتریوفاژها ممکن است گاهی اوقات برای انسان مضر باشند. اما فواید مهمی نیز دارند که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

۱. از باکتریوفاژها برای هدف قرار دادن ابر میکروب‌ها استفاده می‎شود

باکتریوفاژها جایگزین خوبی برای آنتی بیوتیک‌ها هستند. استفاده بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌ها ممکن سویه‌های مقاوم‌تری از باکتری را ایجاد کند. به همین دلیل دانشمندان در حال یافتن باکتریوفاژهایی هستند که روی باکتری‌های بیماری‌زا برای انسان عمل می‌کند.

به عنوان مثال دانشمندان باکتریوفاژهایی را جدا کرده‌اند که ابر میکروب کلستریدیوم دیفیسیل (C. diff) را از بین می‌برد.

C. diff به طور معمول سیستم گوارش انسان را تحت تاثیر قرار می‌دهد و باعث اسهال و کولیت می‌شود. درمان این نوع عفونت با باکتریوفاژها راهی برای حفظ باکتری‌های خوب روده فراهم می‌کند. زیرا باکتریوفاژهای کشف شده، تنها میکروب‌های C. diff را از بین می‌برند.

باکتریوفاژها همچنین برای از بین بردن سایر میکروب‌ها از جمله E. coli مقاوم به دارو و MRSA استفاده می‌شوند.

۲. باکتریوفاژها نقش مهمی در چرخه کربن جهان دارند

باکتریوفاژها فراوان‌ترین ویروس در اقیانوس‌ها هستند. فاژهای معروف به پلاژیفاژها (Pelagiphages) باکتری SAR11 را از بین می‌برند. این باکتری‌ها مولکول‌های کربن محلول را به دی اکسید کربن تبدیل می‌کنند و بر میزان کربن موجود در اتمسفر تأثیر می‌گذارند.

پلاژیفاژها با از بین بردن باکتری SAR11 ، که با سرعت زیادی تکثیر می‌شوند، نقش مهمی در چرخه کربن ایفا می‌کنند.

سخن پایانی

باکتریوفاژها، ویروس‌های باکتری خوار هستند. این موجودات میکروسکوپی که گاهی فاژ نیز نامیده می‌شوند، در همه جای طبیعت حضور دارند. باکتریوفاژها علاوه بر آلوده کردن باکتری‌ها، سایر پروکاریوت‌های میکروسکوپی معروف به آرکی را نیز آلوده می‌کنند. این عفونت مختص گونه خاصی از باکتری‌ها است. برای مثال فاژی که E. coli را آلوده می‌کند، باکتری سیاه زخم را آلوده نمی‌کند. از آنجایی که باکتریوفاژها سلول‌های انسانی را آلوده نمی کنند، در درمان های پزشکی برای درمان بیماری‌های باکتریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.