Filamentowe bakteriofagi Pf i ich rola w chorobotwórczości Pseudomonas aeruginosa

Artykuł, opublikowany w czasopiśmie naukowym Genome Biology and Evolution, oparty na badaniach zespołu naukowego z Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, kierowanego przez dr hab. n. med. Krzysztofa Fiedoruka oraz prof. dr hab. Roberta Buckiego, przynosi nowe spojrzenie na rolę filamentowych fagów Pf w zakażeniach wywoływanych przez bakterię Pseudomonas aeruginosa. Badacze z Zakładu Mikrobiologii Lekarskiej i Inżynierii Nanobiomedycznej, prowadząc szczegółowe analizy genetyczne i strukturalne fagów Pf, odkryli, że te wirusy mogą dzielić się na dwie odrębne linie ewolucyjne, różniące się strukturą, ale mające wspólne miejsca integracji w genomie bakterii.
W swoich badaniach naukowcy z Białegostoku skupili się na identyfikacji kluczowych cech strukturalnych oraz mechanizmów integracji fagów Pf, analizując łącznie 190 pełnych sekwencji chromosomowych szczepów P. aeruginosa. Wyniki tych analiz pokazały, że różnice w białkach strukturalnych fagów z obu linii ewolucyjnych mogą wpływać na ich zdolność do kolonizacji bakterii, a co za tym idzie – na zwiększenie odporności P. aeruginosa na antybiotyki oraz modulację odpowiedzi immunologicznej gospodarza.
Uniwersytet Medyczny w Białymstoku to jeden z wiodących ośrodków badawczych w Polsce, znany z przełomowych prac nad mikrobiologią medyczną i badaniami nad opornością bakterii na antybiotyki.
Pseudomonas aeruginosa to bakteria oportunistyczna, która odgrywa kluczową rolę w rozwoju ciężkich zakażeń, zwłaszcza u osób z osłabioną odpornością, takich jak pacjenci z mukowiscydozą. W rozwoju zakażeń wywoływanych przez tę bakterię istotny udział mają filamentowe bakteriofagi Pf, które mogą tworzyć struktury ciekłokrystaliczne, silnie naładowane ujemnie. Dzięki temu są zdolne do wychwytywania kationowych antybiotyków, takich jak aminoglikozydy, oraz peptydów przeciwbakteryjnych, co zmniejsza ich skuteczność w zwalczaniu infekcji. Dodatkowo, fag Pf przyczynia się do rozwoju biofilmu bakteryjnego i modulacji odpowiedzi immunologicznej, co może zwiększać odporność bakterii na fagocytozę przez makrofagi.
Rola filamentowych fagów Pf w biofilmie i infekcjach przewlekłych
Filamentowe fagi Pf są wyjątkowe pod względem swojego cyklu życia, ponieważ, w odróżnieniu od innych bakteriofagów, nie niszczą komórek gospodarza podczas replikacji. Zamiast tego, są one wydzielane z bakterii bez jej lizy, co pozwala im na stałe zakażenie gospodarza. Fagi te wspierają także proces tworzenia biofilmu przez P. aeruginosa, który stanowi barierę ochronną dla bakterii i pozwala im na przetrwanie w trudnych warunkach, takich jak obecność antybiotyków. Stwierdzono, że fagi Pf, będąc długimi, naładowanymi ujemnie makrocząsteczkami, mogą tworzyć struktury ciekłokrystaliczne w biofilmie, które zwiększają jego przyleganie i odporność na wysychanie, a także na działanie kationowych antybiotyków.
Dwie linie ewolucyjne fagów Pf
Badania wykazały, że fagi Pf można podzielić na dwie linie ewolucyjne (I i II), które różnią się między sobą strukturalnie, ale wykorzystują te same miejsca integracji w genomie P. aeruginosa. Znacząca różnica między tymi liniami wynika z odmienności w budowie białek odpowiedzialnych za strukturę i morfogenezę faga. Mimo różnic strukturalnych, fagi z obu linii ewolucyjnych posiadają zdolność do integracji w genomie bakterii w sposób zależny od specyficznych miejsc docelowych, takich jak tRNA-Gly, tRNA-Met, tRNA-Sec, tmRNA oraz regiony o nazwie DR (direct repeats). Badania sugerują, że obie linie fagów mogą rywalizować o te same miejsca w chromosomie P. aeruginosa, co prowadzi do interesujących interakcji między nimi a bakterią-gospodarzem.
Integracja i specyfika miejsca docelowego fagów Pf
W odróżnieniu od innych grup fagów filamentowych, proces integracji fagów Pf opiera się na ich zdolności do rozpoznawania określonych miejsc integracji, co jest możliwe dzięki obecności unikalnych integras i ekscizaz. W szczególności, obecność różnych wariantów enzymów ekscizazy (XisF4 i XisF5) w fagach Pf sugeruje, że mogą one wpływać na regulację cyklu życia faga i wybór między lizogenią a cyklem litycznym. Obecność lub brak tych genów w różnych liniach fagów Pf wskazuje na ich możliwą rolę w adaptacji bakterii do infekcji i zwiększania jej odporności na antybiotyki.
Fagi Pf jako potencjalne markery antybiotykooporności
Obecność fagów Pf jest silnie skorelowana z rozwojem antybiotykooporności u P. aeruginosa. Badania kliniczne pokazują, że u pacjentów z mukowiscydozą zakażenia wywoływane przez P. aeruginosa zawierającą fagi Pf są trudniejsze do leczenia. Wydaje się, że fagi te mogą pełnić rolę biomarkerów ryzyka rozwoju oporności na antybiotyki, co otwiera nowe perspektywy w poszukiwaniu celowanych metod terapeutycznych.
Filamentowe fagi Pf odgrywają kluczową rolę w infekcjach wywoływanych przez Pseudomonas aeruginosa, zwłaszcza w kontekście przewlekłych zakażeń i rozwoju biofilmu. Ich zdolność do integracji w genomie bakterii, wspieranie odporności antybiotykowej i wpływ na odpowiedź immunologiczną gospodarza czynią je istotnym elementem w patogenezie P. aeruginosa. Dzięki nowym badaniom nad liniami ewolucyjnymi tych fagów możliwe będzie lepsze zrozumienie ich roli w infekcjach i poszukiwanie nowych sposobów ich zwalczania w kontekście antybiotykooporności.
Źródło: Genome Biology and Evolution, TwoLineages of Pseudomonas aeruginosa Filamentous Phages: Structural Uniformity over Integration Preferences
DOI: doi.org/10.1093/gbe/evaa146