Modello atomico della struttura di un batteriofago T4[1]Struttura tipica di un batteriofago della serie T myovirus
Un batteriofago[2] o fago è un virus che infetta esclusivamente i batteri e sfrutta il loro apparato biosintetico per effettuare la replicazione virale. L'infezione virale del batterio ne causa la morte per lisi, ossia mediante rottura della membrana plasmatica dovuta all'accumulo della progenie nel citoplasma.
I batteriofagi sono composti da proteine che incapsulano un genoma a DNA o RNA; esso può avere strutture semplici o elaborate. I loro genomi possono codificare fino a quattro geni (ad esempio MS2) e fino a centinaia di geni. I fagi si replicano all'interno del batterio dopo l'iniezione del loro genoma nel citoplasma.
Inoltre, i batteriofagi sono tra le entità più comuni e diverse nella biosfera; essi sono presenti ovunque si trovino batteri. Si stima che ci siano più di 1031 batteriofagi sul pianeta, più di ogni altro organismo terrestre, compresi i batteri, combinati.[3]
Una delle maggiori fonti naturali di fagi e altri virus è l'acqua di mare, dove sono stati trovati fino a 9x108 virioni per millilitro in tappeti microbici in superficie,[4] inoltre fino al 70% dei batteri marini può essere infetto da fagi.[5]
I fagi sono stati usati dalla fine del XX secolo come alternativa agli antibiotici sia nell'ex Unione Sovietica sia nell'Europa centrale, nonché in Francia.[6][7]
Sono visti come una possibile terapia contro i ceppi multi-farmaco-resistenti di molti batteri (vedi terapia fagica).[8] D'altra parte, i fagi di Inoviridae hanno dimostrato di complicare i biofilm coinvolti nella polmonite e la fibrosi cistica e di proteggere i batteri dai farmaci destinati a debellare le malattie, promuovendo così un'infezione persistente.[9]
Struttura
I batteriofagi più complessi, come quelli della serie T (ad esempio il fago T2), hanno forma di spillo. La testa costituisce il capside e racchiude l'acido nucleico; al di sotto di essa vi è una sorta di collare, cui è attaccata una coda, la quale termina all'estremità basale con 5-6 filamenti detti fibre caudali, essi sono coperti dalla proteina virale, ovvero una sostanza che gli permette di riconoscere le cellule infette per poi iniettarci dentro il suo DNA o RNA.[10]
Il batteriofago attacca il batterio fissando le fibre caudali su un punto preciso della sua membrana cellulare. Con un meccanismo di contrazione inietta al suo interno il proprio acido nucleico, mentre l'involucro proteico rimane all'esterno. Una volta penetrato, il genoma fagico può seguire due vie:[11]
nel ciclo litico utilizzerà l'apparato di replicazione dell'ospite per produrre nuove particelle fagiche fino al raggiungimento del volume di scoppio, momento in cui la cellula si disgregherà per lisi;
nel ciclo lisogeno il genoma fagico si integrerà in un punto specifico (attλ, nel caso del fago λ) del cromosoma batterico. In questo stato integrato il fago viene chiamato profago e, ogni qual volta il cromosoma batterico si replica, verrà replicato anche il genoma fagico. Il batterio che contiene il profago viene detto "lisogeno". Lo stato di profago viene mantenuto da una specifica proteina prodotta dal fago; l'allontanamento di questo repressore induce il passaggio verso il ciclo litico.
Classificazione
I batteriofagi si trovano abbondantemente nella biosfera, con diversi genomi e stili di vita. I fagi sono classificati dall'International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) in base alla morfologia e all'acido nucleico.[12][13]
ICTV classificatione dei procarioti (batteri e archeo) virus[3]
È stato suggerito che membri della famiglia Picobirnaviridae infettino i batteri ma non i mammiferi.[15]
Un'altra famiglia proposta è quella degli "Autolykiviridae" (dsDNA).[16]
^ Al-Shayeb B, Sachdeva R, Chen LX, Ward F, Munk P, Devoto A, Castelle CJ, Olm MR, Bouma-Gregson K, Amano Y, He C, Méheust R, Brooks B, Thomas A, Lavy A, Matheus-Carnevali P, Sun C, Goltsman DSA, Borton MA, Sharrar A, Jaffe AL, Nelson TC, Kantor R, Keren R, Lane KR, Farag IF, Lei S, Finstad K, Amundson R, Anantharaman K, Zhou J, Probst AJ, Power ME, Tringe SG, Li WJ, Wrighton K, Harrison S, Morowitz M, Relman DA, Doudna JA, Lehours AC, Warren L, Cate JHD, Santini JM, Banfield JF, Clades of huge phages from across Earth's ecosystems, in Nature, vol. 578, n. 7795, febbraio 2020, pp. 425-431, DOI:10.1038/s41586-020-2007-4, PMC7162821, PMID32051592.
^Mason, Kenneth A., Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Peter H Raven, and George B. Johnson. (2011). Biology, p. 533. McGraw-Hill, New York. ISBN 978-0-07-893649-4.
