Dr. Gene Mayer

MICROBE RADIO
Fagos contra Bacterias Bacteria

VIROLOGÍA – CAPÍTULO VEINTE CUATRO

BACTERIOFAGOS  

Traducido por :
Sarah M. Castillo - Jorge, Clinica Corominas
Santiago, Rep. Dominicana

 

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LECTURA: Murray et al. Microbiología Médica, 3ra Ed., Capítulo 5.

OBJETIVOS
Describir la composición general y estructura de los bacteriófagos
Discutir los procesos infecciosos y el ciclo de multiplicación lítica
Explicar el ciclo lisogénico y su regulación

  © CellsAlive - James A. Sullivan

I. INTRODUCCIÓN

A. Definición - Bacteriófago (fago) son parásitos intracelulares obligatorios que se multiplican dentro de las bacterias mediante el uso de parte o de toda la maquinaria biosintética del huésped (i.e., virus que infectan bacterias).

Hay muchas similitudes entre los bacteriófagos y los virus de células animales. Por ellos, los bacteriófagos pueden considerarse como sistemas modelos para los virus de células animales. Además el conocimiento del ciclo de vida de los bacteriófagos es necesario para el entendimiento de uno de los mecanismos mediante los cuales los genes bacterianos pueden ser transferidos de una bacteria a otra.

Alguna vez se creyó que el uso de los bacteriófagos podría ser efectivo en el tratamiento de infecciones, pero pronto se hizo aparente que los fagos son rápidamente eliminados del cuerpo y por tanto, tienen muy poco valor clínico. No obstante, los bacteriófagos se utilizan en el diagnóstico a nivel de laboratorio con la identificación de bacterias patogénicas (tipificación por fagos). Aunque la tipificación por fagos no se usa de modo rutinario en el laboratorio clínico, se usa en los laboratorios de referencia para fines epidemiológicos. Recientemente, se han desarrollado nuevos intereses en la posibilidad del uso de bacteriófagos en el tratamiento de infecciones bacterianas y su profilaxis. Todavía ha de determinarse si un bacteriófago puede ser utilizado en la medicina clínica.

PALABRAS CLAVES
Bacteriófago
Tipificación por fagos
 Cápside
Cola
Capa contráctil
Plato de Base
Fibras de cola
Fago virulento
Eclipse
ARNm de fases temprana y tardía
Placa
Pfu
 Lisogenie
Fago moderado
Pro bacteriófago
Lisógeno
Terminales cohesivos
Recombinación específica
Represión
Inducción
Conversión lisogénica

  Bacteriófago T4  (MTE x390, 000)   © Dennis Kunkel Microscopy, Inc.  Usado con autorización

   Bacteriófago T4 Micrografía de electrones con tinción negativa © ICTV.

Figura 1 Estructura del bacteriófago T4

II. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE UN BACTERIÓFAGO

A. Composición – Aunque diversos bacteriófagos pueden contener diferentes materiales todos contiene ácido nucleico y proteína.

Dependiendo del fago, el ácido nucleico puede ser de ADN o ARN pero no de los ambos a un tiempo y puede existir en varias formas. El ácido nucleico de los fagos con frecuencia contiene bases modificadas o irregulares. Estas bases modificadas protegen el ácido nucleico del fago de las nucleasas que rompen el ácido nucleico del huésped durante la infección por bacteriófagos. El tamaño del ácido nucleico varía según el fago. El bacteriófago más simple sólo tiene suficiente ácido nucleico para codificar de 3-5 productos genéticos de tamaño normal mientras que los fagos más complejos pueden codificar más de 100 productos genéticos.

El número de diferentes proteínas y la cantidad de cada tipo en la partícula bacteriófago variará dependiendo del fago. El fago más simple tiene muchas copias de sólo una o dos proteínas diferentes mientras que los fagos más complejos pueden tener muchos tipos de proteínas diferentes. Las proteínas funcionan en la infección y protegen el ácido nucleido de las nucleasas en el ambiente.

B. Estructura – los bacteriófagos vienen en diferentes tamaños y formas. Las características estructurales básicas de los bacteriófagos se ilustran en la Figura 1, la cual representa un fago llamado T4.

1. Tamaño - El T4 es uno de los fagos más grandes; mide aproximadamente 200 nm de longitud y 80-100 nm de amplitud. Otros fagos son más pequeños. Muchos rondan entre los 24-200 nm de longitud.

2. Cabeza o cápside – todos los fagos contienen una estructura tipo cabeza que varía en forma y tamaño. Algunas son icosaédricas (20 caras) otras son filamentosas. La cabeza o la cápside se componen de muchas copias de una o más proteínas diferentes. Dentro de la cabeza se encuentra el ácido nucleico. La cabeza funciona como la cobertura protectora del ácido nucleico.

3. Cola – Muchos fagos, aunque no todos, tienen colas unidas a su cabeza. La cola es un tubo hueco a través del cual pasa el ácido nucleico durante una infección. El tamaño de la cola puede variar y algunos fagos ni siquiera tienen una estructura tipo de cola. En los fagos más complejos como el T4 la cola se rodea de una capa que es contráctil durante las infecciones de las bacterias. Al final de la cola, los fagos más complejos como el T4 tienen un plato de base con una o más fibras de cola unidos. El plato de base y las fibras de cola se involucran en la fijación del bacteriófago a la célula bacteriana. No todos los fagos tienen platos bases ni fibras de cola. En estos casos otras estructuras se encargan de la unión del bacteriófago a la bacteria.

III. INFECCIÓN DE CÉLULAS HUÉSPED

A. Adsorción – El primer paso en el proceso de infección es la adsorción del bacteriófago a la célula bacteriana. Este paso está mediado o las fibras de cola o por alguna estructura análoga en aquellos fagos que carecen de fibras de cola y es reversible. Las fibras de cola se acoplan con receptores específicos que la célula bacteriana y la especificidad del fago por uno u otro huésped (i.e. la bacteria que es capaz de infectar) está determinada por el tipo de fibra de cola que posea el fago. La naturaleza de receptor bacteriano varía según la bacteria. Entre los ejemplos se incluyen proteínas en la superficie externa de la bacteria, lipopolisacárido, vellosidades y lipoproteínas. Estos receptores están en la bacteria para otros fines y los bacteriófagos han evolucionado para utilizarlos como medio de infección.

B. Fijación irreversible – La fijación del fago a la bacteria mediante las fibras de cola es débil y reversible. La fijación irreversible del fago a la bacteria está dada por uno o más componentes del plato base. Los fagos que carecen de plato base tienen otras maneras de unirse fuertemente a la célula bacteriana.

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Bacteriófago
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© Mondo Media
San Francisco, California 94107 USA y The MicrobeLibrary

C. Contracción de la capa – La unión irreversible del fago a la bacteria resulta en la contracción de la capa (en el casi de que los fagos posean una capa) y la cola hueca es empujada a través de la envoltura bacteriana (Figura 2). Los fagos que no tienen capas contráctiles usan otros mecanismos para llevar la partícula del fago a través de la envoltura bacteriana. Algunos fagos tienen enzimas que digieren varios componentes de la envoltura bacteriana.

D. Inyección de Ácido Nucleico – Cuando el fago ha atravesado la envoltura bacteriana el acido nucleico de la cabeza pasa a través de la cola hueca y entra a la célula bacteriana. Usualmente, el único componente del fago que en realidad entra a la célula es el ácido nucleico. El resto de fago permanece afuera de la bacteria. Hay algunas excepciones a esta regla. Esto es diferente a los virus de células animales porque la mayoría de las partículas víricas entran a la célula a infectar. Esta diferencia probablemente se debe a la inhabilidad de la bacteria de engullir partículas.

  Figura 4 Ensayo de bacteriófago lítico

IV. CICLO DE MULTIPLICACIÓN DEL FAGO

A. Fagos líticos o virulentos

1. Definición – Fagos líticos o virulentos, son fagos que sólo se pueden multiplicar en bacterias y eliminarla célula mediante lisis al final de su cito vital.

2. Ciclo vital – El ciclo vital de un fago lítico se ilustra en la Figura 3.

a. Periodo de eclipse – Durante la fase de eclipse, no se puede encontrar ninguna partícula bacteriófaga ni en el interior ni en el exterior de la célula bacteriana. El ácido nucleico del fago se apodera de la maquinaria biosintética del huésped y si sintetizan el ARNm y las proteínas especificadas por el fago. Se da una expresión ordenada de la síntesis macromolecular dirigida por el fago, tal como uno puede observar en las infecciones de virus animales. Los ARNm de fase temprana codifican proteínas de fase temprana que son necesarias para la síntesis de ADN del fago y para la inhibición del ADN del huésped, el ARN y la biosíntesis proteica. En algunos casos las proteínas de fase temprana degradan el cromosoma del huésped. Luego de que se sintetiza el ADN del fago, se sintetizan el ARNm y las proteínas de fase tardía. Las proteínas de fase tardía son las proteínas estructurales que componen el fago así como las proteínas necesarias para la lisis de la célula bacteriana.

b. Fase de acumulación intracelular – En esta fase el ácido nucleico y las proteínas estructurales que han sido sintetizadas son ensamblados y las partículas bacteriófagas infecciosas se acumulan dentro de la célula.

c. Lisis y Fase de Liberación – Luego de un tiempo la bacteria empieza a lisarse por la acumulación de las proteínas de lisis de los fagos y los fagos intracelulares son liberados al medio. El número de partículas liberadas por cada bacteria infectada puede ser de hasta 1000.

3. Ensayo de Fago Lítico

a. Ensayo de placa – Los fagos líticos son enumerados por un ensayo de placa. Una placa es un área clara resultante de lisis de la bacteria (Figura 4). Cada placa surge de una única infección bacteriófaga. La partícula infecciosa que da paso a la placa se denomina pfu (siglas de unidad formadora de placa, en inglés).

  Figura 6 Recombinación sitio-específica

B. Fago lisogénico o moderado

1. Definición – Los fagos lisogénicos o moderados son aquellos que pueden multiplicarse vía el ciclo lítico o entrar en un estado quiescente en la célula. En este estado quiescente muchos de los genes del fago no se transcriben; el genoma del fago permanece en un estado reprimido. El ADN del fago que se encuentra en un estado reprimido se denomina profago porque no es un fago pero tiene el potencial de producir uno. En muchos casos el ADN de fago en realidad se integra al cromosoma del huésped y se replica junto con este y es transmitido a las células hijas. La célula que alberga un profago y las células en un estado lisogénico pueden persistir indefinidamente. La célula que alberga un profago se denomina lisógena.

2. Eventos que llevan a la Lisogenie – El Fago prototipo: Lambda

a. Circularización del cromosoma del fago – El ADN del Lambda es una molécula linear doble con una pequeña región terminal 5’ de cadena sencilla. Estas terminales de hebra sencilla son complementarias (terminales cohesivos) de forma tal que pueden aparear sus bases y producir una molécula circular. En la célula las terminales libres del círculo pueden ser ligadas para formar un círculo covalentemente cerrado como se ilustra en la Figura 5.

b. Recombinación sitio-específica – Un evento de recombinación, catalizado por una enzima codificada por el fago, se da entre un sitio particular del ADN circularizado y un sitio particular en el cromosoma del huésped. El resultado es la integración del ADN del fago en el cromosoma del huésped como se ilustra en la Figura 6.

c. Represión del genoma de fago – Una proteína codificada por el fago, llamada represora, se sintetiza y se une a un sitio particular en el ADN del fago, denominado operador, esta inhibe la transcripción de muchos genes del fago a EXCEPCIÓN del gen represor. El resultado es un estado reprimido del genoma del fago el cual se integra en el cromosoma del huésped. Cada fago moderado sólo reprime su propio ADN y no el de ningún otro fago, así que la represión es muy específica (hay inmunidad a sobre infección por el mismo bacteriófago).

Figura 8A  Micrografía de transmisión de electrones de células de Escherichia coli con partículas bacteriófagas (que parecen pequeños puntos blancos) unidos al exterior de las células. © Scott Kachlany, Universidad de Cornell en Ithaca, New York,  USA y The MicrobeLibrary

  Figura 8B
MTE de células de E. coli  con envolturas rotas, presumiblemente por liberación de fagos. Luego de que el fago se replica dentro de la célula huésped, deben de ser liberados de su célula huésped. Esto casi siempre ocurre por lisis celular.
© Scott Kachlany, Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York,  USA y The MicrobeLibrary

3. Eventos que llevan a la Terminación de la Lisogenia

Siempre que una bacteria lisogénica es expuesta a condiciones adversas, el estado lisogénico puede terminarse. Este proceso se llama inducción. Las condiciones que favorecen la terminación del estado lisogénico son: desecación, exposición a UV o a radiaciones ionizantes, exposición a químicos mutágenos, etc. Las condiciones adversas llevan que implican la producción de proteasas (proteína rec A) lo cual destruye la proteína represora. Esto en cambio lleva a la expresión de los genes del fago, la reversión del proceso de integración y multiplicación lítica.

4. Ciclo lítico vs. Ciclo lisogénico

La decisión de la partícula lambda de entrar en un ciclo lítico o en uno lisogénico cuando entra en una célula se determina por la concentración de proteína represora y de otra proteína denominada cro. La proteína cro inhibe la síntesis de la proteína represora y previene así el establecimiento de la lisogenie. Las condiciones ambientales que favorecen la producción de proteína cro provocarán un ciclo lítico mientras que las que favorecen la producción de la proteína represora provocarán un ciclo lisogénico.

5. Significado de la Lisogenie

a. Modelo de transformación de virus animal – La lisogenie es un modelo del sistema de transformación de células animales.

b. Conversión lisogénica – Cuando una célula se vuelve lisogenada, ocasionalmente expresa genes extra portados por el bacteriófago. Esto genes pueden cambiar las propiedades de la célula bacteriana. Este proceso se llama conversión lisógenica o conversión de fago. Esto puede ser clínicamente significativo i.e. los fagos lisogénicos han demostrado portar genes que modifican el antígeno O de la Salmonella, que es uno de los principales antígenos a los que se dirige la respuesta inmune. La producción de toxina del Corynebacterium diphtheriae está mediada por un gen portado por un fago. Sólo aquellas cepas que hayan pasado por un ciclo lisogénico son patogénica.

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