Bakteriyofajlar ve Faj Terapisi
Elif Şenkuş- Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Edebiyat Fakültesi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi
Bakteriyofajlar, bakterileri enfekte eden virüsler olarak tanımlanır[1]. Kısaca ‘’faj’’ olarak adlandırılan bakteriyofajlar tahmini 10^32 civarındaki sayılarıyla gezegenimizde en çok bulunan yaşam formudur. Fajlar deniz, tatlı su, toprak, çok hücreli organizmaların mikrobiyomu gibi neredeyse her çevrede bakteri popülasyonlarını etkilerler[2,3]. Dışkı ve kanalizasyon atıklarından kolaylıkla elde edilebilirler. Bakteriyofajlar ve hayvan virüsleri birçok benzerliğe sahiptir. Bu yüzden fajlar, hayvan virüslerinin yaşam döngüsü hakkındaki çalışmalarda model bir mikroorganizma olarak katkı sağlamıştır[3].
Bakteriyofajlar DNA ya da RNA ve onu koruyan protein kılıfla (kapsid) birlikte genomunun bakterinin içine salınmasına yardımcı olan ek yapılardan oluşur. Fajın kuyruğu ve kılıfı konnektör adıyla adlandırılan bağlayıcı ile birleştirilir. Konnektörler DNA’nın kılıf içinde durmasını sağlayarak baskı altındayken sızmasını engeller. Faj bakteriye bağlandığında konnektör açılarak DNA’nın bakteri içine salınmasını sağlar. Kuyruk hem bir sinyal ileticisi hem de DNA’nın konakçı bakteriye doğru iletildiği bir boru hattı işlevi görür. Tüm kuyruklar, kuyruğun uzak ucuna bağlı dış bir eklenti içerir. Bu yapı, taban plakası ile birlikte birçok kuyruk iplikçiği ve sivri uç veya iğne denilen yapı içerir. İğne, bakterinin reseptörüne özgün olarak bağlanır. Taban plakası ve lifler fajı bakterinin dış zarına geri dönüşümsüz olarak bağlar. Geri dönüşümsüz bağlanma sağlandığında konnektör açılır ve DNA bakterinin içine salınmış olur[3].
Bakteriyofajların Tarihçesi
1896 yılında İngiliz bakteriyolog Ernest Hanbury Hankin, Hindistan’ın nehirlerindeki suların koleraya neden olan bakteri kültürünü yok ettiğini tespit etmiştir. Bu su, bakterilerin geçemediği çok küçük gözenekli filtrelerden geçtiğinde bile, bakterileri öldürme özelliğini taşımaya devam ediyordu[3]. 1915’te İngiliz mikrobiyolog Frederick Twort kültürde büyüyen bakterileri öldüren küçük bir ajan keşfetmiştir. Filtreden geçebilen bu ajanın bakterilerin bulunmaması durumunda yetiştirilemediğini belirtmiştir[3,4]. 1917 yılında Félix d’Herelle basilli dizanterisinden muzdarip hastası üzerinde yaptığı çalışmalarla bakterileri öldüren bir ajan keşfetti. Lağım suyundan alınmış bakteri içermeyen filtratın dizanteri bakteri kültürünü yok ettiğini gözlemledi. Bu gözlemlerin sonucunda Felix d'Herelle ‘’dizanteri basilinin antagonistik görünmez mikrobu’’ keşfini yayınlamıştır[3]. Daha sonra D’Herelle bakteriyofajların klinik tıpta kullanılmasını uygulamaya koyarak denemelerini yayınlamıştır[4]. Gürcistan’ın başkenti Tiflis’te bulunan Eliava Enstitüsü bakteriyofajlar üzerine çalışmalar yapmak ve faj terapisini geliştirmek amacıyla 1923 yılında kurulmuştur. Bu tarihlerden itibaren birçok bilim insanı bakteriyofajlar üzerindeki çeşitli çalışmalarına devam etmiştir[3].
Bakteriyofajların Sınıflandırılması ve Yaşam Döngüleri
Bakteriyofajlar morfolojik yapılarına, bulundurdukları nükleik asit çeşidine (DNA, RNA), konakçı oldukları bakteriye, yaşadıkları yere göre (deniz vb.) ya da yaşam döngülerine göre sınıflandırılabilirler[4]. Genomları DNA ya da RNA içerir. Çoğu faj çift iplikli DNA içerir. Morfolojik yapılarına göre ipliksi fajlar, kuyruklu veya kuyruksuz ikozahedral fajlar, lipid içerikli kılıflı fajlar olarak sınıflandırılabilir. Bu zamana kadar bilinen fajların %96’sını oluşturan kuyruklu fajlar Myoviridae ailesinden kontraktil kuyruklu fajlar, Siphoviridae ailesinden uzun kuyruklu kontraktil olmayan fajlar ve Podoviridae ailesinden olan kısa kuyruklu kontraktil olmayan fajlar olarak üçe ayrılır[3]. Fajlar yaşam döngülerine göre litik ve lizojenik olarak ikiye ayrılırlar. Litik ya da lizojenik döngü fark etmeksizin ilk adım fajın bakterinin hücre duvarındaki reseptöre bağlanmasıdır. Litik döngüde faj bakterinin reseptörüne bağlandığında, bakterinin hücre duvarını delerek DNA’sını hücre içine salar. Fakat viral kılıf bakterinin dışında kalır[4]. Bakterinin içinde fajın genleri ifade edilir ve faj genomu kopyalanır. Daha sonra paketlenme aşaması gerçekleşir. Oluşan yeni fajlar bakterinin parçalanmasıyla etrafa saçılır. Lizojenik döngüde yer alan ve ılımlı faj olarak adlandırılan fajlar genetik materyallerini bakterinin DNA’sının arasına eklerler. Eklen viral DNA, uzun bir süre sessiz kalarak bakterinin kromozomuyla birlikte kopyalanır. Bu şekilde nesilden nesile dikey gen aktarımıyla iletilmiş olurlar. Lizojenik fajlar tetiklenmeye neden olan bir faktörle litik döngüye geçebilirler[4,5].
Fajlar çeşitlilik bakımından denizlerde bolca bulunmasının yanında insan bağırsak mikrobiyomunda da çokça bulunur. Fajların sağlıklı bağırsak mikrobiyomunu şekillendirdiği de ileri sürülmektedir. İnsan bağırsağı mikrobiyomunda en çok bulunan fajlar Bacteriodes cinsi konakçı bakterileri enfekte eden crAssPhage fajlarıdır[5].
Antibiyotiğin Altın Çağı Sonrası ve Faj Terapisi
20. yüzyılın başlarında bakteriyofajların keşfi ile araştırmacılar fajların bakterileri etkili öldürme güçlerini terapötik amaçla kullanılabileceğini düşündüler. Faj terapisi bakteriden kaynaklı enfeksiyona sahip hastalara fajların aktarımının uygulanmasıyla bakterileri öldürmeyi ve enfeksiyonu sonlandırmayı hedefleyen bir tedavi yöntemidir. Fakat 2. Dünya savaşı sonrası antibiyotiklerin keşfiyle fajlar yalnızca bir araştırma aracı olarak görülmüştür. 40 yıl süren antibiyotiklerin altın çağından sonra antibiyotiklerin aşırı kullanımı antibiyotik direncinin ortaya çıkmasına neden olmuştur[8,9].
Çoklu ilaç direncine sahip bakteriyel enfeksiyonlara neden olan bakteri türleri araştırmacılar tarafından dikkat çekmiştir. Bu grupta bulunan patojenler Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa ve Enterobacter spp. olarak tanımlanmıştır. Bu bakteriyel patojenler bakteri türlerinin baş harflerinden oluşan ‘’ ESKAPE ‘’ kısaltmasıyla ifade edilir[8]. Antibiyotik direnci problemine karşı faj terapisi bulaşıcı hastalıkların tedavisi için bir alternatif oluşturmuştur. Sadece litik fajlar faj terapisinde kullanılan faj türlerindendir. Çünkü litik fajlar bakterilerin direkt olarak parçalanmasına ve ölmesine sebep olurken lizojenik fajla enfekte olan bakteriler bölünmeye devam etmektedir[9,10].
Faj terapisi hayvanlar, insanlar ve bitkilere uygulanarak farklı derecelerde başarılar kazanmıştır. Her tedavide olduğu faj terapisinin de avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. En büyük avantajlarından biri, belirli fajların belirli bakteri suşlarına özgün olmasıdır. Bu özgünlük hastanın normal bakteri florasına zarar gelmemesini sağlar. Eğer bakteri fajlara karşı direnç gösterirse faj direnç kazanmış bakteriyi enfekte etmek amacıyla doğal olarak evrimleşir. Bu mekanizma, fajların antibiyotiklere göre bir adım önde olduğunu belirtiyor[9]. Fajlar biyofilm yapısındaki bakterilere karşı da oldukça etkilidir. İnsanlardaki enfeksiyonların çoğu biyofilm oluşumundan kaynaklanır. Bazı fajlar kuyruklarında taşıdıkları depolimeraz ile biyofilmin yapısında bulunan ekzopolisakkarit matriksi parçalar. İn vivo faj terapisinde karşımıza çıkan dezavantajlardan biri bağışıklık sisteminin fajlara karşı gösterdiği antikor yanıtıdır. Bu sebeple fajlar kısa sürede temizlendiğinden dolayı fajların vücutta kalma süresi kısalmaktadır[9,10].
Referanslar
Campell, A. (2003). The future of bacteriophage biology. Nature Reviews Genetics, 4,471–477.
Olszak, T., Latka, A., Roszniowski, B., Valvano, M.A., Drulis-Kawa, Z. (2017). Phage Life Cycles Behind Bacterial Biodiversity. Current Medicinal Chemistry, 24, 3987-4001 Doi: 10.2174/0929867324666170413100136
Orlova, E.V. (2012). Bacteriophages and Their Structural Organisation, Bacteriophages. Londra: Intechopen.
Wittebole, X., De Roock, S., Opal, S.M. (2014). A historical overview of bacteriophage therapy as an alternative to antibiotics for the treatment of bacterial pathogens. Virulence, 5(1): 226–235. Doi: 10.4161/viru.25991
Ofir, G. ve Sorek, R. (2018). Contemporary Phage Biology: From Classic Models to New Insights. Cell, 172(6), 1260-1270. Doi: 10.1016/j.cell.2017.10.045.
Orlova, E.V. (2012). Bacteriophages and Their Structural Organisation, Bacteriophages. Londra: Intechopen.
Ofir, G. ve Sorek, R. (2018). Contemporary Phage Biology: From Classic Models to New Insights. Cell, 172(6), 1260-1270. Doi: 10.1016/j.cell.2017.10.045.
Gordillo Altamirano, G.L. ve Barr, J.J. (2019). Phage Therapy in the Postantibiotic Era. Clinical Microbiology Reviews, 32(2),1-25. Doi: 10.1128/CMR.00066-18
Ul Haq, I., Chaudhry, W.N., Akhtar, M.N., Andleeb, S., Qadr, I. (2012). Bacteriophages and their implications on future biotechnology: a review. Virology Journal, 9,2-8. Doi: 10.1186/1743-422x-9-9
Luong, T., Salabarria, A.C., Roach, D.R. (2020). Phage Therapy in the Resistance Era: Where Do We Stand and Where Are We Going? Clinical Therapeutics,42(9), 1659-1680 https://doi.org/10.1016/j.clinthera.2020.07.014