Virus Design Workbench - Správa o inováciách
Bakteriofágy napádajú bakteriálnu bunku. Wikimedia Commons/Dr Graham Beards
Bakteriofágy (skrátene fágy) sú vírusy, ktoré špecificky napádajú a ničia baktérie. V prírode sú veľmi početné. Vedci práve preto, že sa špecializujú iba na jeden typ baktérií, dúfajú, že budú schopní používať fágy na špecifickú liečbu určitých bakteriálnych chorôb. Napríklad potravinársky priemysel už používa tieto vírusy na prirodzené ničenie patogénov v potravinách.
Genetická optimalizácia vírusov a ich prispôsobenie na konkrétne účely je stále náročná a časovo náročná. Je obzvlášť ťažké modifikovať fágy na boj proti takzvaným grampozitívnym baktériám, ako je Staphylococcus.
Cielená modifikácia fágov
Teraz by však mohla nastať nová éra v používaní bakteriofágov, pretože tím vedcov pod vedením Martina Loessnera, profesora potravinovej mikrobiológie na ETH Zürich, práve predstavil novú technologickú platformu v časopise PNAS. To umožňuje vedcom cielene geneticky modifikovať fágy, vybaviť ich ďalšími funkciami a nakoniec ich uviesť do života v bakteriálnej „náhradnej matke“ - bunke Listeria bez bunkovej steny.
Vďaka novému fágovému pracovnému stolu môžu byť vírusy podobné tomuto vytvárané veľmi rýchlo a „skrinka s nástrojmi“ je vysoko modulárna: vedci ho môžu použiť na vytvorenie takmer ľubovoľného bakteriofága na rôzne účely a s množstvom rôznych funkcií.
"Bolo takmer nemožné zmeniť genóm bakteriofága," hovorí Loessner. Metódy boli navyše mimoriadne neefektívne. Gén bol napríklad integrovaný do existujúceho genómu iba vo zlomku fágov. Izolácia zmeneného fága sa preto často stala hľadaním ihly v kope sena.
"V minulosti sme museli hľadať tie fágy s požadovanými vlastnosťami z miliónov fágov." Teraz môžeme hneď od začiatku generovať všetky druhy vírusov rovnakého typu, testovať ich v rámci užitočnej doby a v prípade potreby ich znova meniť, “zdôrazňuje Loessner.
Naplánujte si vírusy v počítači
Loessnerov kolega Samuel Kilcher vydláždil cestu pre prielom. Špecialista na molekulárnu virológiu použil metódy zo syntetickej biológie na plánovanie genómu bakteriofága na rysovacej doske a na jeho zhromaždenie z fragmentov DNA v skúmavke. Do genómu fága boli tiež začlenené nové a ďalšie funkcie, ako napríklad enzýmy na odbúravanie obalu bakteriálnych buniek. Kilcher môže tiež odstraňovať gény, ktoré poskytujú fágové nežiaduce vlastnosti, ako je napríklad integrácia do bakteriálneho genómu alebo produkcia bunkových toxínov.
Aby sa fágové častice vrátili z umelej DNA späť do života, bol genóm zavedený do sférických, životaschopných foriem baktérie Listeria (Listeria) v tvare L, bez bunkových stien. Tieto bakteriálne bunky potom používajú genetický plán na výrobu všetkých zložiek požadovaného fágu a zabezpečujú správne zhromaždenie vírusov.
Vedci tiež zistili, že sférické listérie nielenže produkujú svoje vlastné špecifické fágy, ale aj také, ktoré môžu infikovať ďalšie baktérie. Hostiteľ zvyčajne šíri iba svoje špecifické vírusy. Listérie L sú preto vhodné ako takmer univerzálny bakteriofágový inkubátor.
Ak dôjde k prasknutiu listérie, bakteriofágy sa uvoľnia a môžu sa izolovať a množiť na použitie v terapii alebo diagnostike.
Vhodné sú iba virulentné fágy
„Kľúčovou požiadavkou na použitie účinných syntetických bakteriofágov je, aby sa ich genóm nemohol integrovať do genómu hostiteľa,“ zdôrazňuje Kilcher. Ak sa tak stane, vírus už pre baktériu nehrozí. Pomocou novej metódy dokázali vedci ľahko preprogramovať také integrujúce fágy, aby stratili schopnosť integrácie a stali sa tak opäť zaujímavými pre antibakteriálne aplikácie.
Dvaja vedci sa ťažko obávajú možnej rezistencie vo fágoch. A aj keby napríklad došlo k zmene povrchovej štruktúry baktérie, aby sa zabránilo dokovaniu vírusu, z novej technológie by sa mohol rýchlo vyvinúť vhodný fág, na ktorý si baktéria zatiaľ nevyvinula rezistenciu.
Vedci tiež považujú riziko nežiaducich únikov za nízke. Práve preto, že bakteriofágy, prírodné aj syntetické, sú vysoko špecifické pre hostiteľa, nemôžu bez svojho hostiteľa dlho prežiť. Táto vysoká špecifickosť tiež bráni bakteriofágom v možnosti prejsť na novú hostiteľskú baktériu. „Prispôsobenie sa povrchovej štruktúre iného hostiteľa by v prírode trvalo veľa času,“ hovorí Loessner.
Praktická aplikácia sa blíži
So svojou technológiou urobil Loessnerov tím veľký krok k použitiu syntetických bakteriofágov na terapiu, diagnostiku alebo v potravinárskom priemysle. Vedci tým tiež prekonávajú obmedzenia spojené s používaním prírodných fágov. „Náš balík nástrojov by mohol pomôcť využiť potenciál fágov,“ hovorí Loessner. Vedci požiadali o patent na svoju technológiu. Teraz dúfajú, že nájdu držiteľov licencií, ktorí budú vyrábať fágy na terapiu a diagnostiku.
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Cross-gen reštartovanie na zákazku vyrobených syntetických bakteriofágových genómov v baktériách L-formy. PNAS 2018 január, 115 (3) 567-572. doi: 10,1073/pnas.1714658115