Virus Design Workbench - Innovációs jelentés
A bakteriofágok megtámadnak egy baktérium sejtet. Wikimedia Commons/Dr Graham Beards
A bakteriofágok (röviden fágok) olyan vírusok, amelyek kifejezetten megtámadják és elpusztítják a baktériumokat. Nagyon sok a természetük. Pontosan azért, mert csak egyetlen baktériumtípusra specializálódtak, a kutatók azt remélik, hogy fágokat képesek felhasználni bizonyos bakteriális betegségek célzott kezelésére. Az élelmiszeripar például már használja ezeket a vírusokat az élelmiszerekben található kórokozók természetes módon történő elpusztítására.
A vírusok genetikai optimalizálása és ezáltal egyedi célokra történő testreszabása továbbra is kihívást jelent és időigényes. Különösen nehéz módosítani a fágokat az úgynevezett Gram-pozitív baktériumok, például a Staphylococcus ellen.
A fágok célzott módosítása
Most azonban új korszak hajnalodhat a bakteriofágok használatában, mert Martin Loessner, az ETH Zürich élelmiszer-mikrobiológiai professzora által vezetett kutatócsoport éppen egy új technológiai platformot mutatott be a PNAS folyóiratban. Ez lehetővé teszi a tudósok számára, hogy célzottan genetikailag módosítsák a fágokat, felszereljék őket minden további funkcióval, és végül életre keltsék őket egy bakteriális „helyettesítő anyában” - sejtfal nélküli Listeria sejtben.
Az új fág munkapad segítségével az ilyen vírusok nagyon gyorsan létrehozhatók, és az „eszközdoboz” nagyon moduláris: a tudósok szinte bármilyen baktériumfág létrehozására használhatják, különféle célokra és sokféle funkcióval.
"Szinte lehetetlen volt megváltoztatni egy bakteriofág genomját" - mondja Loessner. Ezenkívül a módszerek rendkívül hatástalanok voltak. Például egy gént csak a fágok töredékében integrálták a meglévő genomba. A megváltozott fág izolálása ezért gyakran tű keresése lett a szénakazalban.
„A múltban több millió fágból kellett megkeresnünk a kívánt tulajdonságokkal rendelkező fágokat. Most már a kezdetektől fogva előállíthatunk mindenféle azonos típusú vírust, tesztelhetjük őket egy hasznos időszakon belül, és ha szükséges, újra megváltoztathatjuk őket ”- hangsúlyozza Loessner.
Ütemezze a vírusokat a számítógépen
Loessner kollégája, Samuel Kilcher utat nyitott az áttörés előtt. A molekuláris virológia szakembere a szintetikus biológiából származó módszereket használva tervezte meg a bakteriofág genomját a rajztáblán, és kémcsőben lévő DNS-fragmensekből állította össze. Új és további funkciókat, például enzimeket a bakteriális sejtburok lebontására, beépítettünk a fággenomba. Kilcher eltávolíthatja azokat a géneket is, amelyek nem kívánt tulajdonságokat adnak a fágnak, például integrálódnak a baktériumok genomjába vagy sejtméregeket termelnek.
Annak érdekében, hogy a fágrészecskék újra életre keljenek a mesterséges DNS-ből, a genomot beépítették a Listeria (L-alakú Listeria) baktérium gömb alakú, sejtfalak nélküli, de életképes formáiba. Ezek a baktériumsejtek a genetikai tervet felhasználva előállítják a kívánt fág összes összetevőjét, és biztosítják a vírusok megfelelő összeállítását.
A kutatók azt is megállapították, hogy a gömbös listeriák nemcsak saját specifikus fágjaikat termelik, hanem azokat is, amelyek más baktériumokat is megfertőzhetnek. A gazdagép általában csak a specifikus vírusokat hozza ki. Az L alakú listeria ezért szinte univerzális bakteriofág inkubátor.
Ha ezután a listeriák megrepednek, a bakteriofágok felszabadulnak, és izolálhatók és szaporíthatók terápiában vagy diagnosztikában történő felhasználás céljából.
Csak virulens fágok alkalmasak
"A hatékony szintetikus bakteriofágok használatának alapvető követelménye, hogy genomjuk ne integrálódhasson a gazda genomjába" - hangsúlyozza Kilcher. Ha ez megtörténik, a vírus már nem jelent veszélyt a baktériumra. Az új módszer segítségével azonban a kutatók könnyen átprogramozhatták az ilyen integratív fágokat, így elveszítették az integrálódás képességét, és így újra érdekessé váltak antibakteriális alkalmazások számára.
A két kutató alig aggódik a fágok lehetséges ellenállása miatt. És még akkor is, ha például egy baktérium megváltoztatja felületi szerkezetét, hogy megakadályozza a vírus dokkolását, az új technológia gyorsan kifejleszthet egy megfelelő fágot, amely ellen egy baktérium még nem alakult ki rezisztenciát.
A kutatók alacsonynak tartják a nem kívánt kibocsátások kockázatát is. Pontosan azért, mert a természetes és a szintetikus bakteriofágok nagymértékben gazdaszervezet-specifikusak, nem képesek sokáig túlélni gazdájuk nélkül. Ez a magas specificitás azt is megakadályozza, hogy a bakteriofágok új gazdabaktériumra válthassanak. "Az alkalmazkodás egy másik gazda felszíni szerkezetéhez sok időt igényelne a természetben" - mondja Loessner.
A gyakorlati alkalmazás egyre közelebb kerül
Loessner csapata technológiájával nagy lépést tett a szintetikus bakteriofágok terápiában, diagnosztikában vagy az élelmiszeriparban való felhasználása felé. Ennek során a kutatók a természetes fágok használatával kapcsolatos korlátokat is leküzdik. "Eszköztárunk segíthet kiaknázni a fágokban rejlő lehetőségeket" - mondja Loessner. A kutatók szabadalmat kértek technológiájukra. Most abban reménykednek, hogy találnak engedélyeseket, akik fágokat állítanak elő a terápiához és a diagnosztikához.
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Egyedi készítésű, szintetikus bakteriofág genomok keresztnemzetes újraindítása L-alakú baktériumokban. PNAS 2018. január, 115 (3) 567-572. doi: 10.1073/pnas.1714658115