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Batteriofagi

Che cosa sono i batteriofagi?

I batteriofagi sono virus che attaccano i batteri e si distinguono dai virus eucariotici, che invece attaccano le cellule eucariotiche.

La struttura di questi virus consiste in un filamento di materiale genetico (DNA o più raramente RNA)  avvolto da un rivestimento di proteine.

Il  genoma delle particelle fagiche è costituito da un numero abbastanza limitato di geni, in particolare geni utili per la replicazione del fago, poiché  i batteriofagi, come tutti i virus, hanno la caratteristica di sfruttare anche molte strutture del l'ospite per il proprio ciclo vitale.

Questi virus possiedono uno schema generale di infezione diviso in tre fasi:

  • la particella fagica attacca il batterio all’esterno e inietta il suo cromosoma di DNA nell’ospite;
  • la molecola di DNA del fago viene replicata, di solito da enzimi specifici codificati da geni presenti sul cromosoma del fago;
  • altri geni del fago dirigono la sintesi dei componenti proteici dell’involucro proteico e vengono assemblate delle particelle fagiche e alla fine vengono rilasciate da batterio.

Alcuni fagi completano il ciclo di infezione molto rapidamente.

Classificazione dei batteriofagi

I batteriofagi si dividono in due grandi categorie:

  • Batteriofagi testa-coda;
  • Batteriofagi filamentosi.

Batteriofagi testa-coda

I batteriofagi testa-coda hanno una struttura abbastanza complessa, formata dalla testa, chiamata caspide, che ha solitamente una struttura icosaedrica, che contiene un cromosoma a doppio filamento e alla quale si lega una struttura filamentosa, la coda, costituita da proteine specifiche e che termina con le fimbrie, strutture proteiche attraverso le quali il fago prende contatto con il batterio.

I fagi testa-coda possono presentare due tipi di ciclo vitale:

1) Ciclo litico: una volta che nella cellula batterica è entrato il materiale genetico del fago, in forma lineare all’interno del capside, ricircolarizza, se ciò non avviene, il fago non potrà svolgere il proprio ciclo vitale. Questo è un evento molto delicato per la vita del virus, poiché il materiale genetico è sensibile al taglio degli enzimi di restrizione del batterio. Succesivamente il DNA replica, formando nuove molecole di DNA. Queste iniziano a lavorare portando alla sintesi delle proteine del capside, i cui geni sono contenuti nel genoma del fago. A questa fase segue l’assemblaggio delle particelle fagiche. Alla fine si ha la lisi dell’ospite, con la liberazione dei fagi che andranno ad infettare un altro ospite. Ciò è reso evidente dalla formazione delle placche di lisi nitide all’interno di una cultura batterica su terreno solido infettata con batteriofagi di questo tipo.

Tutti gli eventi di questo ciclo avvengono in un arco di tempo piuttosto breve (~20 min) .

2) Ciclo lisogeno: il DNA del fago entra nella cellula e ricircolarizza. Ma il passaggio successivo prevede l’integrazione del DNA del fago all’interno del cromosoma batterico (questo evento si può realizzare soltanto tra due molecole di DNA circolari). Il DNA del fago resta integrato nel cromosoma batterico e diventa profago, il batterio diventa un batterio lisogeno, che fenotipicamente non è distinguibile da un altro batterio che non contiene il DNA fagico. Il batterio lisogeno continua normalmente il proprio ciclo vitale, fino a quando un evento esterno (variazione della temperatura o del pH, grandi concentrazioni di radiazioni UV o altre situazioni di stress ambientale) non determina l’escissione del profago dal cromosoma batterico.

Di conseguenza nell’ospite si trova una molecola di DNA circolare del fago che darà inizio ad un ciclo litico. Il fattore responsabile del mantenimento del DNA del fago in forma di profago è il gene C1, che codifica per la proteina C1. Nel momento in cui il gene C1 porta qualche mutazione, il meccanismo di controllo del ciclo lisogeno salta.

Ciclo litico e ciclo lisogeno dei fagi testa-coda.

Batteriofagi filamentosi

Nei fagi filamentosi la molecola di DNA genomico, circolare e a singolo filamento, è circondata  da una struttura più semplice costituita da copie multiple di tre proteine.

In genere queste particelle  fagiche hanno un solo tipo di ciclo vitale che prevede una produzione continua di fagi, non hanno quindi la capacità di integrare il proprio genoma con quello batterico, sono però in grado di infettare le cellule batteriche senza determinarne la lisi, tanto che le particelle di nuova formazione vengono continuamente espulse dall’ospite.

L’infezione da parte di questi virus determina un rallentamento del ciclo vitale del batterio, dato che  gran parte delle sue energie vitali vengono sottratte per la formazione delle nuove particelle fagiche.

In questo modo l’ospite non viene lisata e continua a vivere e a riprodursi ma con dei ritmi molto più lenti. Ciò lo si può vedere attraverso la formazione di placche di lisi opache all’interno di colture batteriche su terreno solido infettate con questo tipo di fago.

Un fago filamentoso entra all’interno di una cellula, lasciando fuori il suo involucro proteico, attraverso il pilus (struttura che connette due cellule batteriche durante la coniugazione sessuale),  e, siccome è a singolo filamento, funge da stampo per la sintesi di un filamento complementare,  portando alla formazione di un DNA a doppio filamento, che è la forma replicativa.

Questa forma determinerà la sintesi delle proteine del rivestimento, che avviene di continuo, così come la produzione di nuovi genomi fagici, in questo modo la produzione di particelle fagiche è continua.

fago filamentoso

Impiego dei batteriofagi

Nelle tecnologie del DNA ricombinante i fagi vengono utilizzati, insieme ai plasmidi, come vettori di clonaggio.

In realtà gli unici due batteriofagi usati sono il Fago λ (lambda), che è un fago testa-coda, e il Fago M13, un fago filamentoso.

Il  Fago λ presenta un genoma a doppio filamento con diversi distretti funzionali, i geni che svolgono la stessa funzione sono raggruppati in cluster. Inoltre i geni sono disposti in un ordine simile a quello delle attività che il fago svolge durante il ciclo vitale.

Una caratteristica molto importante è la presenza dei siti cos, sequenze a singolo filamento di 12 nucleotidi, complementari tra loro, presenti all’estremità della molecola. Queste sequenze hanno due funzioni: da un lato aiutano la circolarizzazione del filamento con la formazioni dei legami idrogeno tra basi complementari mentre dall’altro fungono da sito di riconoscimento per l’endonucleasi A, che divide in tante unità fagiche il lungo filamento che si è formato con il meccanismo di replicazione del cerchio rotante.

impacchettamento del dna virale

Il genoma del Fago M13 presenta i geni per le tre diverse proteine del rivestimento più alcune proteine utili per la replicazione del DNA.

Il vantaggio di M13 è che può essere utilizzato sia come vettore a singolo filamento e sia nella forma a singolo filamento. Per questo la sua etrazione può avvenire in due modi: o dal fago, a singolo filamento, o dal batterio, a doppio filamento come se fosse un plastidio.

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