Los bacteriófagos o fagos (en griego , phageton significa comida / consumo), más raramente virus bacterianos , son virus que solo infectan bacterias . Son omnipresentes en toda la biosfera . Se encuentran en todas partes, especialmente porque el medio ambiente es rico en bacterias, especialmente en grandes cantidades en excrementos, suelo y aguas residuales; en un mililitro de agua de mar hay cerca de 50 millones de bacteriófagos. El portador de la información genética ( genoma ) de los bacteriófagos puede ser ADN o ARN . Por sus cápsides , los fagos se califican como virus complejos.
El descubrimiento de la actividad de los bacteriófagos lo realizó en 1897 Félix d'Hérelle cuando notó agujeros en estos cultivos de bacterias para luchar contra los enjambres de saltamontes en Centroamérica, pero cuyo significado sólo entendió en 1917 cuando hizo la misma observación en las heces. de pacientes que padecían disentería bacilar (enfermedad del colon ), aislaron los primeros fagos y desarrollaron las primeras aplicaciones fagoterapéuticas .
En 1915, Frederick W. Twort (en Londres ) también notó que las colonias de micrococos a veces adquieren un aspecto vidrioso, debido a la destrucción de las células bacterianas, y que esta característica es transmisible a las colonias normales por simple contacto.
Los fagos son herramientas fundamentales para la investigación y el estudio de la genética molecular. Sirven, entre otros vectores, para la clonación y transferencia de genes (también denominada transducción). En los años 1940-1960, el trabajo realizado sobre bacteriófagos permitió realizar muchos avances en el campo de la biología molecular (avances realizados por Max Delbrück , en el marco del “ grupo de los fagos ”) y en particular permitió descubrir que los ácidos nucleicos eran los portadores de información genética (experimento de Hershey-Chase en 1952).
Los bacteriófagos se utilizaron en Francia con fines terapéuticos desde alrededor de 1920 hasta 1990 y todavía se utilizan en el antiguo bloque del Este , donde los bacteriófagos se pueden comprar en farmacias sin receta. En Francia, ante la incapacidad de las autoridades sanitarias para acelerar la reintroducción de la terapia con fagos por motivos regulatorios y administrativos, asociaciones y grupos de pacientes y médicos están haciendo hincapié en los importantes beneficios que puede aportar a los pacientes infectados por gérmenes resistentes en situaciones de terapéutica callejón sin salida o infección crónica recurrente y la falta de riesgo observado durante los 70 años de uso en Francia en el XX ° siglo.
Al igual que los virus que infectan a los eucariotas , un fago tiene material genético encapsulado en una estructura de proteína compleja que generalmente consta de una cabeza y una cola. Para más del 95% de los fagos conocidos, este material es una molécula de ADN bicatenario con una longitud de 5 a 650 kpb ( kilobases ) y su tamaño varía de 24 a 200 nm . Los bacteriófagos con un genoma superior a 200 kpb se denominan "fagos jumbo".
Los fagos se caracterizan por la presencia de "placas de lisis " . La infección de una célula bacteriana por un solo fago puede causar su lisis después de unos veinte minutos con la liberación de algunas decenas o incluso cientos de partículas de fago. En el laboratorio, cada partícula liberada de esta manera infectará una nueva bacteria y comenzará el ciclo lítico nuevamente. Como resultado de estas lisis microscópicas en cascada, se forman “placas de lisis” en la estera bacteriana de la superficie de los agares, lo que permite leer los resultados de la prueba a simple vista. El tamaño y el aspecto de estas placas de lisis constituyen un fenotipo que contribuye a caracterizar los fagos.
Los bacteriófagos, incapaces de reproducirse por sí mismos, inyectan su material genético en las bacterias hospedadoras. Gracias a las enzimas y ribosomas del huésped (y a determinadas proteínas virales según el caso), el genoma viral se puede replicar y traducir para formar numerosas copias del virus que se liberan con la lisis de la bacteria huésped: estamos hablando de ciclo lítico. o ciclo de producción.
Algunos bacteriófagos se comportan de manera diferente, su material genético se replica y se integra con el cromosoma de la bacteria (o existe como plásmido ), pero no se expresa para formar viriones. El virus se denomina entonces profago , que se transmite a la descendencia de la bacteria infectada (línea lisogénica) y hablamos de lisogenia o ciclo lisogénico . En respuesta a una inducción (por ejemplo, estrés de las bacterias), la infección lisogénica cambia a un ciclo lítico.
De una especie a otra, el ciclo de replicación del fago en la célula puede seguir varios patrones:
Los fagos, como otros virus, son vulnerables a los rayos solares UV , conocidos por ayudar a destruir virus, al menos en la parte superior de la columna de agua , y más o menos profundos dependiendo de la turbidez del agua.
En aguas más eutróficas o incluso distróficas , otra causa de destrucción viral (aún poco conocida) parece ser la presencia de moléculas antivirales disueltas, termolábiles y de alto peso molecular (más de 30 kDa ), como proteasas u otras enzimas bacterianas . probablemente que durante los experimentos llevados a cabo por Noble & al. en 1997 parecía ser responsable de aproximadamente 1/5 de la desintegración máxima de virus; además de la radiación solar que elimina como máximo 1/3 a 2/3 (cuando se trata de virus no nativos) y 1/4 a 1/3 cuando se trata de virus nativos) sugiriendo fenómenos de coevolución adaptación evolutiva entre bacterias y virus, y de acuerdo con la tasa de radiación solar ultravioleta que penetra en la columna de agua.
El organismo responsable de la nomenclatura y taxonomía de los virus se denomina Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV). Hay una veintena de morfologías diferentes en virus bacterianos reconocidos actualmente por el ICTV. En 2000, se habían observado y descrito más de 5.000 bacteriófagos diferentes. Más del 95% de ellos tenían una cola involucrada en la entrada del ADN del fago en la célula bacteriana (familia Caudovirales ). La morfología de la cola permite subdividir esta gran familia en 3 grupos :
Como los fagos pueden portar genes en su genoma que son accesorios a su ciclo de vida, participan en transferencias horizontales de genes entre poblaciones bacterianas. Es transducción . Cuando estos genes accesorios codifican factores de virulencia, la bacteria infectada ve incrementada su patogenicidad; este es el fenómeno de "conversión lisogénica".
Un ejemplo bien conocido es el de los genes de la toxina Stx de Escherichia coli enterohemorrágica ( EHEC ). Estos genes stx están ubicados en secuencias de bacteriófagos lambdoides integrados en el cromosoma. Por tanto, las ECEH habrían surgido por conversión lisogénica. Se conocen muchos otros ejemplos de este tipo, como la toxina del cólera de Vibrio cholerae que es transportada por el fago CTX.
Los bacteriófagos lisogénicos a menudo se integran en el cromosoma en el locus que codifica los ARN de transferencia (ARNt). Por ejemplo, el fago ¨PhiR73 de Escherichia coli se inserta en el locus selC . La adquisición de genes extraños por transferencia horizontal, gracias a la integración de bacteriófagos en tales "puntos calientes" es plausible, ya que las secuencias que codifican los ARNt están muy conservadas entre las diferentes especies bacterianas. Finalmente, la persistencia de genes de virulencia en los genomas de los fagos sugiere que confieren una ventaja selectiva, posiblemente debido a la mayor multiplicación y difusión de la bacteria huésped.
En la década de 1960, la investigación llevada a cabo sobre las interacciones huésped / fago por los biólogos estadounidenses Max Delbrück , Alfred Hershey y Salvador Luria le valió a estos investigadores el Premio Nobel de Medicina-Fisiología en 1969 .
Los fagos han permitido varios descubrimientos:
El estudio de los fagos tiene importantes implicaciones en la medicina y la genética , en particular para comprender las infecciones virales, las anomalías genéticas, la embriología humana, las causas del cáncer y la resistencia bacteriana a los antibióticos.
Los fagos se utilizan de múltiples formas en biología molecular. Se utilizan como vectores de clonación para insertar ADN en bacterias. El método de presentación en fagos es un método que permite la selección de un péptido gracias a su presentación en la superficie del fago. La presentación de fagos es una técnica para la construcción de bibliotecas de ADN o ADN complementario. Los 2 fagos principales usados en esta técnica son M13 (fago filamentoso) y fagos lambda que ambos infectan a E. Coli . Tomemos el ejemplo del fago M13, que es un fago filamentoso capaz de infectar sólo bacterias gram (-) que han incorporado factor F y cuya infección conduce a la lisogenia. Su cápside contiene, entre otras cosas, las proteínas P8 y P3 necesarias para la unión del bacteriófago a las bacterias a través de los pili sexuales. Estas 2 proteínas se utilizarán para presentar moléculas de interés (péptido, fragmento de anticuerpo o proteína completa) en la superficie del fago: la molécula de interés se fusiona con las proteínas P8 y P3, insertando el gen que codifica la molécula de interés cerca de la 5 ′ Final de los genes P3 y P8 respetando el marco de lectura. Se utiliza una u otra de las proteínas según el tipo de molécula y la cantidad de moléculas a exponer en la superficie del fago. Se hace una distinción entre fagos polivalentes / homogéneos, donde todas las proteínas P3 y P8 están fusionadas, de fagos monovalentes / heterogéneos donde solo se fusiona una parte de las proteínas. La técnica permite obtener bibliotecas de ADN que se pueden conservar fácilmente y los clones seleccionados se multiplican a bajo costo. Esta técnica permitirá producir anticuerpos sin tener que pasar por la inmunización de un animal. Limitación de la técnica: algunas moléculas no pueden expresarse como moléculas tóxicas para la célula huésped. Por tanto, existe una capacidad limitada para transformar E. Coli .
La secuenciación de un genoma no ocurre de una vez, sino poco a poco en fragmentos de genomas. Para ello, estos fragmentos de ADN se pueden almacenar y multiplicar en organismos que sirven como bancos de ADN. Los fagos como vectores de clonación lo permiten.
Utilizados principalmente en la industria alimentaria y luego en la medicina veterinaria, los fagos también se están estudiando en medicina como alternativa a la resistencia a los antibióticos. En Holanda, también se comercializa un cóctel de fagos para combatir la contaminación por Listeria en los productos alimenticios.
Conservante de alimentosEn 2006 , en Estados Unidos , se autorizó como conservante de alimentos una preparación de bacteriófagos a base de seis virus de bacteriófagos , en particular para combatir la listeriosis .
Medicina VeterinariaMás de la mitad de los antibióticos producidos se utilizan en la cría de animales. Los preparados a base de fagos ofrecen una alternativa interesante para el control y prevención de infecciones. En Noruega, se están llevando a cabo ensayos clínicos en acuicultura.
Medicina humanaLos fagos líticos se pueden usar para combatir infecciones bacterianas, estas terapias con fagos se imaginaron y usaron tan pronto como se descubrieron estos virus. A esto se le llama tratamiento con bacteriófagos . Se utilizaron primero en Francia, en Alemania, luego en la Georgia independiente, en la URSS, en Polonia , en los Estados Unidos y finalmente en todo el mundo, con o sin la adición de tratamiento antibiótico .
En Francia, su uso y comercialización desapareció a principios de los años 80 (se encontraron en el Vidal hasta 1978 y se siguieron utilizando durante años en determinados hospitales como el de Montpellier), no cuestionándose su eficacia, pero su uso es menor. más práctico que el de los antibióticos y siendo bastante empírico (sin evaluación de la especificidad de los fagos, sin titulación de soluciones, etc.). De la misma forma Eli Lilly cesa la comercialización de fágicos en Estados Unidos con el desarrollo de antibióticos.
Por otro lado, el uso de fármacos bacteriófagos se ha mantenido en los países del bloque soviético y todavía se utilizan comúnmente en Georgia y Rusia. Los fármacos bacteriofágicos se utilizan sistemáticamente como primer enfoque en Rusia para tratar ciertas infecciones como la shigelosis . El consumo en Rusia es de más de 1,000,000,000 (mil millones) de cajas de fagos por año.
La terapia con fagos es actualmente un tema de renovado interés porque presenta una solución para tratar infecciones por cepas bacterianas resistentes a los antibióticos. Los bacteriófagos constituyen una vía seria en el descubrimiento de tratamientos duraderos contra las infecciones bacterianas.
Varias empresas de todo el mundo están trabajando en el desarrollo de soluciones de bacteriófagos de acuerdo con los estándares occidentales. En Francia, la empresa Pherecydes Pharma está desarrollando “cócteles de fagos” para tratar / prevenir infecciones de grandes heridas expuestas (quemaduras en particular) e infecciones pulmonares.
La terapia con fagos ahora es posible en Francia como parte de la Autorización Temporal de Uso registrada, es decir en cada caso, y dentro de los límites previstos por la ANSM:
Se agregan las siguientes restricciones:
Ante las dificultades para tratarse a uno mismo con bacteriófagos dentro del marco legal, se han creado organizaciones de pacientes en Francia para facilitar el acceso a la terapia con fagos tanto en Francia como en el extranjero.
Varias asociaciones francesas se centran en los bacteriófagos:
Phages.fr : Red científica francesa de ámbito nacional cuyo objetivo es promover, coordinar e integrar estudios de interacciones bacteriófago-bacteria a través de diferentes disciplinas científicas, al tiempo que se promueve el establecimiento de colaboraciones y sinergias entre laboratorios.
AVIBEP : La Asociación de Víctimas de la Prohibición de los Bacteriófagos Extranjeros y sus Familiares , tiene como objetivo ayudar a los pacientes a tener acceso a fágicos franceses y extranjeros para que un paciente ya no esté condenado a morir o ser amputado sin haber sido previamente tratado con fagos. cuando sea posible, incluso con bacteriófagos extraños si es necesario. La asociación pide que, por un lado, los medicamentos aprobados en el extranjero se autoricen automáticamente en Francia en el marco de la normativa compasiva existente y, por otro lado, que se establezca de nuevo un centro de fabricación de bacteriófagos en Francia. en París, Lyon y Estrasburgo lo han hecho durante cincuenta años para los médicos y hospitales de la ciudad. Se basa en el estudio Burden BMR para afirmar que cada año se pierden aproximadamente 10.000 vidas que podrían salvarse con bacteriófagos extraños.
Le Lien : Asociación para la defensa de los pacientes y usuarios de la salud. Su misión principal es defender a las víctimas de infecciones nosocomiales y accidentes médicos, ya sean errores, equivocaciones o peligros. Hace campaña para la reintroducción de bacteriófagos en Francia.
Phag Espoirs : Tiene como objetivo promover por un lado la investigación y el uso de bacteriófagos en el campo diagnóstico y terapéutico, y por otro lado, apoyar a los pacientes que deseen conocer más sobre los bacteriófagos. La asociación está formada principalmente por médicos.
Phages sans frontières : recaudación de fondos y asesoramiento para ayudar a los pacientes a buscar tratamiento en Georgia.
PHELIX France: en conjunto con la Universidad de Leicester en el Reino Unido, está llevando a cabo un proyecto para la detección de infecciones crónicas por Borrelia (enfermedad de Lyme) utilizando virus bacteriófagos.