I batteriofagi: caratteristiche generali

Che cosa sono i batteriofagi?

I batteriofagi sono particelle virali che infettano esclusivamente i batteri.

Sappiamo che i virus sono delle comuni entità biologiche che non presentano un proprio apparato metabolico, di conseguenza non possono accrescersi e moltiplicarsi autonomamente. I virus sono definiti parassiti cellulari obbligati, in quanto infettano ed invadono cellule procariotiche ed eucariotiche per potersi replicare.

Anche i batteriofagi, o fagi, sfruttano l’apparato biosintetico dei batteri per potersi replicare e, in seguito all’infezione, ne inducono la morte per lisi. I fagi quindi sono una vera e propria minaccia per i batteri.

La scoperta di agenti antibatterici si ebbe nel 1896 ad opera di Hankins, ma fu F.W. Twort che realizzò un primo resoconto sui fagi nel 1915. Felix d’Herelle, invece, condusse i primi esperimenti sui batteriofagi.

Batteriofagi osservati al microscopio elettronico adesi alla superficie batterica
Figura 1 – Batteriofagi osservati al microscopio elettronico adesi alla superficie batterica

Caratteristiche generali e struttura

I batteriofagi hanno dimensioni variabili, il diametro è compreso generalmente tra 23 – 30 nm.

La struttura che essi presentano è ben precisa, dall’alto verso il basso troveremo:

  • La testa, chiamata capside, di forma icosaedrica, in cui è raccolto l’acido nucleico;
  • Un collare;
  • La coda, struttura tubulare cava, avvolta da una guaina contrattile;
  • Una placca basale;
  • 5 – 6 filamenti (le fibre caudali o fimbrie).

Il genoma è costituito da DNA o RNA, a doppio o singolo filamento.

Schema della struttura di un batteriofago
Figura 2 – Schema della struttura di un batteriofago

La classificazione dei batteriofagi dipende da diverse caratteristiche, soprattutto dal ciclo biologico. I batteriofagi virulenti danno luogo al ciclo litico, mentre i batteriofagi temperati danno luogo al ciclo lisogenico. Descriveremo i rispettivi cicli biologici nel paragrafo successivo.

Esistono inoltre delle sigle, o delle semplici lettere, per distinguere tra fagi a DNA o a RNA. Tra le sigle per i fagi a RNA menzioniamo MS-1, MS-2, mentre per i batteriofagi a DNA possiamo usare, per esempio, la lettera T o la lettera greca lambda (λ).

I batteriofagi T sono generalmente quelli più complessi, ricordiamo il fago T2 che infetta esclusivamente Escherichia coli ed è stato utilizzato in un importante esperimento genetico, come approfondiremo in seguito nel paragrafo apposito.

Come vengono attaccati i batteri?

I batteriofagi infettano determinati batteri aderendo alla loro superficie. L’adesione è possibile grazie a proteine virali che riconoscono specifici recettori presenti sulla superficie batterica.

In seguito, il fago, grazie alla propria struttura, attacca il batterio, in quanto fissa le sue fimbrie sulla membrana dell’ospite e, con un meccanismo di contrazione, inietta all’interno il proprio genoma, mentre rimane all’esterno l’involucro proteico.

Il genoma fagico, una volta penetrato all’interno del batterio ospite, da luogo al ciclo litico o al ciclo lisogenico.

  • Il ciclo litico prevede che il genoma fagico sfrutti l’apparato di replicazione dell’ospite producendo nuove particelle fagiche. La cellula ospite raggiunge così il volume di scoppio, le particelle fagiche sono rilasciate all’esterno, di conseguenza il batterio si disgrega per lisi. Tra la fase di attacco del batteriofago e il rilascio delle particelle fagiche trascorrono circa 30 minuti.
  • Nel ciclo lisogenico invece, il genoma fagico si integra in un punto specifico del cromosoma batterico, quindi, quando quest’ultimo si replica, si replicherà anche il genoma del batteriofago. Il genoma fagico è trasferito alle nuove generazioni, senza causare danni al batterio. In questa condizione il fago è chiamato profago, il batterio che lo contiene è chiamato lisogeno e lo stato di integrazione tra il fago e il batterio è detto lisogenia. In condizioni di stress, o con la presenza di stimoli opportuni, il genoma del fago viene escisso da quello dell’ospite andando incontro al ciclo litico.
Schema riguardante il ciclo litico e lisogenico
Figura 3 – Schema riguardante il ciclo litico e lisogenico

Batteriofagi e genetica

Il batteriofago T2, menzionato in precedenza, è stato utilizzato in un importante esperimento genetico che avvenne nel 1952 ad opera di Alfred D. Hershey e Martha Chase, i quali volevano definitivamente dimostrare che fosse il DNA, e non le proteine, la molecola depositaria dell’informazione genetica.

Per condurre l’esperimento Hershey e Chase marcarono differentemente le componenti del fago T2. Le proteine contengono zolfo, il quale ha un isotopo radioattivo: 35S. I due scienziati fecero sviluppare un lotto di T2 in una coltura contenente 35S, marcando con questo isotopo le componenti proteiche. Il DNA contiene, invece, fosforo, il suo isotopo radioattivo è 32P. Un altro lotto di batteriofagi T2 crebbe in una coltura contenente 32P, marcando in questo caso il DNA.

Il batterio Escherichia coli venne infettato dapprima dai batteriofagi marcati con 32P ed in seguito da quelli marcati con 35S.

I batteri infettati furono sottoposti ad agitazione all’interno di un frullatore, ciò serviva per staccare dal batterio le componenti virali non penetrate al suo interno.

In seguito, venne effettuata la centrifugazione, attraverso la quale le particelle si separano seguendo un gradiente di densità. Le componenti virali, non penetrate all’interno del batterio, meno dense, costituiscono il surnatante, mentre le cellule batteriche, più pesanti, si addensano sul fondo della provetta.

Hershey e Chase al termine constatarono che 35S si trovava nel surnatante, 32P sul fondo, quindi dimostrarono che è il DNA a penetrare nel batterio e a costituire il materiale genetico.

Schema riguardante l'esperimento di Hershey e Chase
Figura 4 – Esperimento di Hershey e Chase

Batteriofagi come agenti terapeutici

I batteriofagi sono considerati predatori naturali dei batteri, infatti in alcuni casi sono stati utilizzati come potenziali agenti terapeutici. Sono dei veri e propri “farmaci” naturali e soprattutto economici, in quanto presenti dappertutto sul nostro pianeta. E’ necessario realizzare un cocktail di fagi calibrato per ogni singolo paziente, in modo tale da agire in maniera mirata su un determinato ceppo batterico.

Intorno alla metà del ‘900, iniziò a delinearsi l’idea di utilizzare i fagi come terapia medica, soprattutto nell’ex Unione Sovietica, in particolare grazie al microbiologo George Eliava. Fondamentale fu anche il contributo di Felix d’Herelle, citato già in precedenza, che, nel 1930, in Georgia, fondò un istituto per lo studio dei batteriofagi. L’avvento degli antibiotici negli anni ‘40 ostacolò lo sviluppo di quest’intuizione.

È a partire invece dagli anni ‘90 che si rinnova l’interesse per l’utilizzo dei fagi come agenti terapeutici.

Il vantaggio della terapia dipende dal fatto che è poco rischiosa, seppur utilizzata limitatamente o non utilizzata affatto in alcuni paesi, e dalle caratteristiche dei batteriofagi. Essi crescono rapidamente ed in maniera esponenziale, ciò limita le dosi di fagi da somministrare e favorisce la crescita di ceppi mutanti con una maggiore attività antibatterica.

La somministrazione avviene per via aerea, endovenosa o rettale, i fagi diffondono velocemente nell’organismo attuando la loro funzione.

Effetto dei batteriofagi su una colonia di Bacillus anthracis
Figura 5 – Effetto dei batteriofagi su una colonia di Bacillus anthracis

I limiti sono dati dal ritrovamento di tossine nel preparato fagico e lo sviluppo, da parte dei batteri, di una resistenza contro i fagi, seppur molto più bassa rispetto a quella antibiotica. Inoltre, la ricerca di fagi, che agiscano contro uno specifico ceppo batterico che infetta il nostro organismo, è estremamente difficoltosa.

Un utilizzo recente di fagi geneticamente modificati è avvenuto nel 2018 a Londra. Isabelle Holdaway, diciassettenne, era affetta da fibrosi cistica ed, in seguito ad un doppio trapianto di polmoni, ha rischiato la vita a causa di un’infezione provocata da Mycobacterium abscessus, resistente agli antibiotici.

Dopo mesi di cure vane, grazie ad un’intuizione della madre, la pediatra ha contattato esperti virologi, i quali hanno realizzato un cocktail di fagi per curare l’infezione della paziente, che, dopo alcuni mesi, è guarita completamente.

L’esito positivo che si è avuto nel caso di Isabelle non è detto che possa verificarsi anche in altri pazienti.

È vero quindi che i fagi potrebbero curare un vasto numero di malattie infettive, ma è anche vero che i dati ottenuti sino ad ora non consentono di arrivare a conclusioni scientifiche rilevanti.

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