Bacteriofaag zijn virussen die bacteriën infecteren en zich daarbij vermenigvuldigen. Voor elke bacterie is er ook een specifieke bacteriofaag. Bacteriofagen worden gebruikt in de geneeskunde en genetische manipulatie.
Wat zijn bacteriofagen?
Bacteriofagen zijn een groep virussen die bacteriën en archaea (primordiale bacteriën) infecteren. Daarbij blijven ze zich vermenigvuldigen en vernietigen ze de bacterie.
Voor elke bacterie is er een specifieke bacteriofaag gebaseerd op het slot en sleutel principe. Volgens de traditionele definitie zijn bacteriofagen, zoals alle virussen, geen levende wezens. Voor hun voortplanting zijn ze afhankelijk van een gastheer. Buiten de gastheer vinden geen biochemische processen plaats. De fagen gebruiken hiervoor de enzymen van hun gastheer.
Bacteriofagen bestaan alleen uit DNA of RNA, die omgeven zijn door een eiwitmantel. De overgrote meerderheid van fagen heeft echter DNA als hun genetisch materiaal.
Fagen werden voor het eerst beschreven in 1917 door de Canadese bioloog Félix Hubert d'Hérelle. De structuur van de verschillende fagen is verschillend. In principe bestaan bacteriofagen uit verschillende componenten. De nadruk lag vooral op de structuur van de zogenaamde T-fagen, die ook de Escherichia coli-bacterie infecteren.
De T-fagen bestaan uit een veelvlakkige kop die via een hals is verbonden met een langwerpig injectiekanaal (injectie-apparaat). De basisplaat met staartvezel en spikes bevindt zich onder het injectie-apparaat. De kop is een capside die nucleïnezuur bevat. De capside, het injectiekanaal en de basisplaat zijn gemaakt van proteïne. Staartvezels en spikes dienen om de faag te verankeren aan de celwand van de bacterie.
Voorkomen, distributie en eigenschappen
Bacteriofagen zijn universeel. Er zijn ongeveer 10 tot de kracht van 30 bacteriofagen in zeewater. Voor elke bacterie is er ook een bijbehorende faag.
De vermenigvuldiging van bacteriofagen kan worden onderverdeeld in vijf fasen. Ten eerste wordt de faag geabsorbeerd op een specifieke celwandreceptor. De uiteinden van de staartdraden hechten zich vast aan het celoppervlak. In de volgende stap injecteert de faag zijn DNA of RNA in de bacterie. De lege eiwitomhulsels blijven op het bacterieoppervlak. De derde fase wordt de latentiefase genoemd, waarin geen fagen kunnen worden gedetecteerd. Tijdens de latentiefase die enkele uren duurt, begint de vertaling in het virale mRNA en de replicatie in het virale nucleïnezuur. In de zogenaamde productiefase worden de virale eiwitten aangemaakt. Vervolgens worden in de volgende rijpingsfase de afzonderlijke viruscomponenten samengesteld. Nadat de virusproductie is voltooid, lost een lysozym dat wordt geproduceerd door de omgezette bacteriële cel de bacterie op en geeft de geproduceerde fagen vrij.
Betekenis en functie
Tegenwoordig worden bacteriofagen op veel gebieden al veel gebruikt. Speciale toepassingsgebieden openen zich in de geneeskunde, biologie of landbouwtechniek. In de geneeskunde worden bacteriofagen gebruikt om bacteriestammen te detecteren vanwege hun specificiteit voor bepaalde bacteriën. Dit toepassingsgebied wordt lysotype genoemd.
Momenteel wordt intensief onderzoek gedaan naar het bestrijden van bacteriën met bacteriofagen bij infecties. Dit onderzoeksgebied wint aan belang, zeker onder invloed van het steeds toenemende aantal antibioticaresistente bacteriestammen. De slechte stabiliteit van de fagen in het lichaam is echter problematisch. Ze worden onmiddellijk geëlimineerd door de eigen fagocyten van het lichaam.
Félix Hubert d'Hérelle heeft deze mogelijke toepassing al overwogen. Na de ontdekking en introductie van antibiotica waren de onderzoeksresultaten over deze mogelijke toepassing echter volledig vergeten. Het Eliava-instituut voor faagonderzoek, opgericht door D’Hérelle in 1934, bestaat echter nog steeds in Tbilisi, Georgië. Samen met het Ludwik Hirszfeld Instituut voor Immunologie en Experimentele Therapie uit de Poolse stad Wroclaw wordt daar vandaag onderzoek gedaan naar alternatieve methoden om antibioticaresistente bacteriën met fagen te bestrijden.
Fagen worden ook op veel verschillende manieren gebruikt in de voedingsindustrie. Er worden bijvoorbeeld verschillende faagsprays gebruikt bij het verpakken van kaas of worst om ze tegen bacteriën te beschermen.
Genetische manipulatie is ook een groot toepassingsgebied. Zo worden fagen nu gebruikt als vectoren voor bepaalde genen en geïntroduceerd in bacteriën. Met behulp van deze methode kunnen insulineproducerende bacteriestammen van Escherichia coli worden gegenereerd.
Deze vectoren worden ook steeds belangrijker voor de productie van andere actieve stoffen. Bovendien kunnen sommige ervan worden gebruikt om genetische defecten te bestrijden.
Ziekten en aandoeningen
Bacteriofagen hebben echter niet alleen positieve effecten. Sommige ernstige infectieziekten breken alleen uit met behulp van fagen. Difterie wordt veroorzaakt door de bacterie Corynebacterium diphtheriae. De ziekte kan echter alleen uitbreken als Corynebacterium diphtheriae gelijktijdig wordt geïnfecteerd met bacteriofagen. Na infectie met fagen produceren deze bacteriën het karakteristieke toxine dat de ernstige, soms levensbedreigende symptomen veroorzaakt.
De ziekte begint met tekenen zoals slikproblemen, vermoeidheid, misselijkheid en buikpijn. Er zit een witte laag op de amandelen die vies, zoet ruikt. Vaak zijn er complicaties zoals longontsteking of myocarditis, die fataal kunnen zijn.
Een andere ziekte die door bacteriofagen wordt veroorzaakt, is roodvonk. Roodvonk wordt veroorzaakt door streptokokken die zijn geïnfecteerd met bacteriofagen. Als gevolg van deze infectie produceren de bacteriën een bijzonder verraderlijk toxine. Er zijn ernstige symptomen met koude rillingen, koorts, braken en keelpijn. In het begin is de tong wit, maar na een paar dagen kleurt hij framboosrood. Er treedt ook uitslag op. Als de bacterie niet met bacteriofaag was geïnfecteerd, zou dit alleen maar leiden tot onschadelijke tonsillitis.
Cholera wordt ook veroorzaakt door een bacterie die is geïnfecteerd met bacteriofagen, genaamd Vibrio cholerae.
