Bacteriófagos

Índice
  1. Qué es un bacteriófago
  2. Ciclos de vida de los bacteriófagos
    1. Ciclo lítico
    2. Ciclo lisogénico
    3. Ejemplo. Ciclo de vida del fago λ (lambda)
    4. Ciclo pseudolisogénico
    5. Ciclo de infección crónica
  3. Experimento de crecimiento en un solo paso (one-step growth experiment). Estallido
  4. Principales familias de bacteriófagos
  5. Bibliografía

Qué es un bacteriófago

Los bacteriófagos (o simplemente "fagos") son virus que infectan a bacterias. Son parásitos bacterianos obligatorios, lo que significa que no se pueden reproducir de manera independiente, así que necesitan a una bacteria huésped para su supervivencia. A pesar de ser tan sencillos, son muy diversos, y tienen varios criterios de clasificación. Los fagos muestran 4 ciclos diferentes que pueden usar para infectar la bacteria hospedadora: lítico, lisogénico, pseudo-lisogénico e infección crónica.

Estos virus (fagos, virus que matan bacterias) son de especial interés en el mundo de la medicina, ya que uno de los grandes problemas que tenemos en la actualidad es el de la aparición de bacterias resistentes a los antibióticos y la terapia con bacteriófagos ha mostrado ser una posible alternativa. De hecho, en la época previa a los antibióticos la fagoterapia era conocida y se usaba comúnmente. Pero el auge de los antibióticos (y algunas razones más) provocaron que este tratamiento quedara relegado en el ostracismo; no obstante, ha vuelto a surgir un renovado interés por las posibles aplicaciones que pueden tener los bacteriófagos en terapia antimicrobiana.

La descripción general de un fago lítico es la siguiente: el material genético está contenido dentro de una cubierta proteica o cápside; esta cápside está conectada a la cola a través del collar. Esta cola, en su extremo más distal, está en contacto con fibras de la cola con espículas que reconocen lugares de acoplamiento en los receptores de la superficie bacteriana celular.

Esquema general de un bacteriófago
Esquema general de un bacteriófago del orden Caudovirales.  (Nobrega et. al., 2015)

Ciclos de vida de los bacteriófagos

Podemos observar procesos determinados que son comunes para todos los virus. Éstos son:

  • Adsorción
  • Separación del material genético de la cápside (penetración)
  • Expresión y replicación del material genético
  • Empaquetado de viriones
  • Liberación y transmisión de viriones

El primer paso es el acoplamiento a los receptores de la pared celular bacteriana para que el fago pueda entrar a la bacteria (adsorción). La mayoría de fagos se adsorben sobre la pared celular bacteriana. No obstante, también hay algunos que lo hacen sobre el flagelo o los pili sexuales.

Podríamos dividir este procedimiento en dos subprocesos; el primero, tras el contacto inicial del fago con la superficie bacteriana externa, es reversible, y ofrece la posibilidad al fago de “decidir” en vez de infectar. En el segundo subproceso, el fago se une manera irreversible a la bacteria. Este proceso es de gran importancia, ya que influye de manera determinante en las posibles interacciones fago-bacteria. Algunos fagos pueden sintetizar enzimas específicas, tales como hidrolasas, polisacaridasas y polisacárido liasas, con capacidad de degradar cápsulas con exopolisacáridos, antes de interactuar con su receptor específico.

Tras unirse a su receptor específico, los fagos forman un poro en la pared celular e inyectan su material genético en la célula, mientras la cápside viral permanece en el exterior de la célula (penetración). Ahora bien, hay algunas excepciones en las que no solo entra el ácido nucleico e incluso puede entrar todo el virus.

Ciclos de vida de los fagos. (Weinbauer, 2004)
Ciclos de vida de los fagos. (Weinbauer, 2004)

Este proceso es común a todos los virus, con independencia del ciclo que tengan. A partir de aquí, cada ciclo tiene unos procesos diferentes, como veremos a continuación.

Ciclo lítico

En el ciclo lítico, a esta acción le sigue la activación de genes fágicos de expresión rápida, que redirigen el metabolismo celular hacia la reproducción de material genético y proteínas virales. Antes de la lisis celular y la liberación de la progenie fágica, podemos observar un proceso de empaquetado de los fagos. Diversas enzimas tardías de los fagos, como las lisinas, holinas, e inhibidores de la síntesis de mureína, se emplean para la liberación de los viriones hacia el entorno extracelular, que ocurre tras la lisis de la bacteria huésped. El número de partículas virales liberadas al exterior puede variar, y depende del estado de la bacteria huésped, de diversos factores ambientales y del propio fago.

Ahora bien, la relación bacteria-fago es un continuo ciclo de coevolución; las bacterias han desarrollado mecanismos para resistir la infección de los fagos. Para evitar el acoplamiento del fago están la alteración o perdida de los receptores, y la producción de polímeros extracelulares o de moléculas que compitan por los receptores a los que se une el fago. Para evitar la entrada del ADN existen los sistemas de exclusión de infecciones Sie, y para la modificación de los ácidos nucleicos del fago aparecen los sistema de restricción-modificación (R-M) y el sistema CRISPR-Cas. Pero los fagos también desarrollan procesos para evitarlos; así, aparecen el reconocimiento de los receptores alterados o nuevos, o los genes anti-CRISPR.

Ciclo lisogénico

En el ciclo lisogénico, los bacteriófagos integran su contenido genético en los cromosomas de la bacteria, en forma de profago[1] endógeno, y éste permanece dentro del ADN de la bacteria silenciado por largos periodos de tiempo. Más tarde, podrá ser replicado como parte del cromosoma bacteriano; de manera que, en este caso no hay autorreplicación. Por consiguiente, el profago se transmite con cada división celular. Los factores ambientales pueden estresar a la bacteria, e inducir la evolución del fago hacia un ciclo lítico, donde éste libere su descendencia al exterior (proceso de inducción).

Durante la fase lisogénica, el material genético de los bacteriófagos puede ser transferido del cromosoma de una bacteria a otra bacteria; este proceso es denominado transducción. Esta transferencia puede desembocar en la aparición de factores de virulencia y desencadenar toxinas no deseadas, o factores de resistencia, lo que provoca que los fagos lisogénicos no sean aptos para la terapia fágica convencional. Sin embargo, este proceso también puede ser utilizado de manera terapéutica usando a los fagos para la transferencia de genes, de forma que provoquen que las bacterias sean más sensibles a determinados antibióticos.


[1] Genoma de un fago que se ha perpetuado en la bacteria hospedadora al integrarse en su cromosoma.

Ejemplo. Ciclo de vida del fago λ (lambda)

El fago lambda presente morfología tipo B, y tiene un genoma de ADN de doble cadena de 48.5kbp. Tiene los llamados extremos cos, secuencias repetitivas en los extremos de su genoma y que son complementarias entre sí. Cuando el genoma entra en el hospedador, se convierte en forma circular y se cierra mediante la actividad de una ADN ligasa bacteriana.

Este bacteriófago solo infecta a la bacteria Escherichia coli, y en unas condiciones específicas. En su caso, la bacteria tiene que expresar un transportador de maltosa (lamB) en presencia de iones Mg2+. Si hay presencia de maltosa en el medio se induce la presencia del transportador de maltosa y el fago se puede unir a él.

En condiciones normales, el fago lleva a cabo un ciclo lítico. La lisogenia se establece según el estado metabólico de la bacteria que está siendo infectada: si está en condiciones óptimas de crecimiento, habrá ciclo lítico; si las condiciones no son buenas, se producirá lisogenia.

En una primera fase el dsDNA circular del bacteriófago se replica según un modelo bidireccional, para finalmente hacerlo mediante un mecanismo de círculo rodante. Sin embargo, si al final lo que se produce es el ciclo lisogénico, se producirá su recombinación e integración en el cromosoma bacteriano de manera específica, en el sitio att.

La integración es llevada a cabo por int, una integrasa producida por el virus, junto a ciertas proteínas bacterianas (IHF). Int es la enzima que modula la integración. Habrá una recombinación específica entre el sitio att del fago (attP) y el de E. coli (attB). El resultado de la integración es una permutación en el genoma bacteriano del fago lambda, quedando así el lambda en forma de profago.

Inducción

Es el proceso por el que un bacteriófago pasa de un estado lisogénico al estado lítico. Usemos como ejemplo a la bacteria E. coli lisogenizada por el fago lambda. El estado lisogénico se mantiene por medio de un represor, la proteína C1, cifrada por el propio fago. Su misión es regular la estabilidad de la fase de lisogenia y no permitir que el genoma viral salga del genoma bacteriano ni que se exprese.

Ahora bien, hay diversas situaciones de estrés (en especial, la luz ultravioleta) que provocan una inducción de la proteína bacteriana RecA. Esta proteasa (inducida en caso de daño al ADN) tiene gran afinidad por C1, así que esta se degrada, lo que provoca la escisión del fago lambda como profago y la recuperación del genoma circularizado. Una vez el genoma vírico sale del genoma bacteriano, se establece el ciclo lítico.

Ciclo pseudolisogénico

El ciclo pseudolisogénico ocurre cuando el ADN viral aparece en forma de plásmido en la bacteria huésped, de forma independiente, sin formar parte del ADN de la bacteria. El desarrollo de la progenie se paraliza, y no hay una multiplicación del genoma fágico. Este ciclo normalmente es causado por la aparición de condiciones desfavorables para la replicación del fago, así que, cuando las condiciones ambientales mejoran, en el fago se inicia el ciclo lisogénico real, o el lítico.

Ciclo de infección crónica

En el ciclo de infección crónica el fago lisogénico ha mutado, de forma que el material genético del fago forma parte del cromosoma bacteriano, y se convierte en un profago de larga duración. La bacteria es infectada, pero ocurre de tal forma, que se libera la progenie del fago de manera continuada sin lisar dicha bacteria.

Experimento de crecimiento en un solo paso (one-step growth experiment). Estallido

El "experimento de crecimiento en un solo paso" fue diseñado por Ellis y Delbruck en 1939. Con él, pretendían estudiar el crecimiento de los virus. Para ello eligieron a los bacteriófagos, ya que las bacterias son hospedadores con una complejidad bastante menor a la de animales y plantas, por ejemplo. Este experimento analiza la interacción bacteriófago-bacteria desde un punto de vista cuantitativo, y supone el comienzo de la investigación bacteriofágica moderna.

Para el experimento se usaron diversas bacterias susceptibles a la infección de los fagos; entre ellas, E. coli. Se mezclaban a dichas bacterias con partículas fágicas, y a los fagos se les permitía atacar a su hospedador durante un corto intervalo de tiempo. Si los fagos se replican en las bacterias, aparecerán fagos en el medio de cultivo. Además, también aparecerán bacterias infectadas que aun no se han lisado.

Después, el cultivo infectado se diluye, de forma que los viriones expulsados al exterior no podrían infectar nuevas bacterias. El bacteriófago necesita contacto físico con la bacteria para unirse a ella, y esto se previene mediante el alto grado de dilución, que hace que sea improbable el contacto del fago con un hospedador.

El número de bacteriófagos infectivos está determinado durante ciertos intervalos que se pueden ver bien en una gráfica. Estas son las fases que aparecen:

  • Fase de eclipse. Es el tiempo mínimo necesario tras la infección para detectar fagos con capacidad infectiva dentro de las bacterias.
  • Fase de latencia. Es el tiempo mínimo necesario para que se formen fagos con capacidad infectiva en el sobrenadante. En esta fase no hay liberación de viriones.
  • Fase de crecimiento. Período en el que la célula bacteriana se lisa y se liberan los fagos infectivos.

El número total de los bacteriófagos liberados se puede usar para calcular el tamaño de la explosión (burst size): el número de virus producidos por célula infectada.

Curva del crecimiento en un solo paso.
Curva del crecimiento en un solo paso. En el período de eclipse (que dura 11-12 minutos) no hay viriones infectivos. Durante el resto del período de latencia (que dura en total 21-22 minutos), el número de viriones infectivos aumenta, pero ninguno está liberado aún. Este período acaba con la lisis de las bacterias y la liberación de viriones en el período de crecimiento. La línea azul representa el número de viriones completos, mientras que la línea roja representa el número de viriones libres, aquellos viriones liberados que no se han unido al hospedador.

Principales familias de bacteriófagos

Dentro de los virus bacterianos, la mayoria son fagos con genoma de ADN, siendo los más abundantes los de doble cadena. Los fagos más destacados son:

  • Fagos con ADN de doble cadena
    • Myoviridae. Infectan a E. coli, además de otras baterias y arqueas.
    • Siphoviridae.
    • Podoviridae.
    • Corticoviridae
    • Tectiviridae.
    • Plasmaviridae. Infectan micoplasmas.
  • Fagos con ARN de doble cadena
    • Cystoviridae.
  • Fagos con ADN de una cadena
    • Microviridae.
    • Inoviridae.
  • Fagos con ARN de una cadena
    • Leviviridae.

Bibliografía

Nobrega FL, Costa AR, Kluskens LD, et al. (2015) Revisiting phage therapy: new applications for old resources. Trends in Microbiology 23(4): 185–191. DOI: 10.1016/j.tim.2015.01.006.

Weinbauer MG (2004) Ecology of prokaryotic viruses. FEMS Microbiology Reviews 28(2): 127–181. DOI: 10.1016/j.femsre.2003.08.001.

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