DOENÇAS INFECCIOSAS

BACTERIOLOGIA – CAPÍTULO SETE  

BACTERIÓFAGO  

Dr Gene Mayer
Emeritus Professor
University of South Carolina School of Medicine

 

Tradução: Dr. Myres Hopkins

INGLÊS

ESPANOL

ALBANES

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

APRENDA PLUGADO

OBJETIVOS
Descrever a composição geral e estrutura do bacteriófago
Discutir o processo infeccioso e o ciclo de multiplicação lítica
Explicar o ciclo lisogênico e sua regulação

  © CellsAlive - James A. Sullivan

Bacteriófagos (fagos) são parasitas intracelulares obrigatórios que se multiplicam dentro da bactéria fazendo uso de algumas ou de tôda a maquinária biossintética do hospedeiro (i.e., vírus que infectam bactérias.).

Existem muitas similaridades entre bacteriófagos e vírus celulares animais. Assim, bacteriófagos podem ser vistos como sistema-modêlo para vírus de células animais. Além disso, um conhecimento do ciclo de vida do bacteriófago é necessário para compreender um dos mecanismos pelo qual genes bacterianos podem ser transferidos de uma bactéria para outra.

Houve uma época em que se pensava que o uso de bacteriófagos poderia ser uma maneira eficiente de tratar infecções bacterianas, mas logo ficou conhecido que fagos são rapidamente removidos do corpo e assim, eles teriam pouco valor clínico. Entretanto, bacteriófagos são usados no laboratório de diagnóstico na identificação de bactérias patogênicas (tipagem fágica). Embora a tipagem fágica não seja usada rotineiramente no laboratório clínico, é usada em laboratórios de referência com fins epidemiológicos. Recentemente, novo interesse tem se desenvolvido no possível uso do bacteriófago para o tratamento de infecções bacterianas e em profilaxia. Não se sabe se o bacteriófago ainda vai ser usado em medicina clínica.

PALAVRAS-CHAVE
Bacteriófago
Tipagem de fagos
 Capsídios
Cauda
Bainha contrátil
Placa-base
Fibras da cauda
Fago virulento
Eclipse
RNAm iniciais e tardios
Placa
UFP
 Lisogenia
Fago temperado
Profago
Lisógeno
Extremidades coesivas
Recombinação sítio-específica
Repressão
Indução
Conversão lisogênica

  T4 Bacteriófago  (TEM x390,000)   © Dennis Kunkel Microscopy, Inc.  Used with permission

  Eletromicrografia com coloração negativa do  bacteriófago T4  © ICTV.

Figura 1 Estrutura do bacteriófago T4

COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA DO BACTERIÓFAGO

Composição

Embora diferentes bacteriófagos possam conter material diferente, eles todos contém ácidos nuclêicos e proteína.

Dependendo do fago, o ácido nuclêico pode ser DNA ou RNA, mas não ambos e ele pode existir em várias formas. Os ácidos nuclêicos dos fagos frequentemente contém bases modificadas não usuais. Essas bases modificadas protegem o ácido nuclêico do fago contra nucleases que degradam ácidos nuclêicos alheios durante a infecção pelo fago. O tamanho do ácido nuclêico varia dependendo do fago. Os fagos mais simples têm ácido nuclêico o suficiente para codificar para 3-5 produtos gênicos de tamanho médio, enquanto fagos mais complexos podem codificar para mais de 100 produtos gênicos.

O número de proteínas de diferentes tipos e a quantidade de cada tipo de proteína na partícula fágica varia dependendo do fago. O fago mais simples tem muitas cópias de uma ou duas proteínas diferentes, enquanto que fagos mais complexos podem ter muitos tipos diferentes. As proteínas funcionam na infecção e para proteger o ácido nuclêico contra nucleases no ambiente.

Estrutura

Bacteriófagos existem em muitos tamanhos e formas diferentes. As características básicas estruturais dos bacteriófagos estão ilustradas na Figura 1, que mostra o fago chamado T4.

1. Tamanho - T4 está entre os maiores fagos; mede aproximadamente 200 nm de comprimento e 80-100 nm de largura. Outros fagos são menores. A maioria dos fagos varia de tamanho de 24-200 nm de comprimento.

2. Cabeça ou Capsídeo – Todos os fagos contém uma estrutura em cabeça que pode variar de tamanho e forma. Algumas são icosaédricas (20 lados) outras são filamentosas. A cabeça ou capsídeo é composta de muitas cópias de uma ou mais proteínas diferentes. Dentro da cabeça está o ácido nuclêico. A cabeça age como cobertura protetora do ácido nuclêico.

3. Cauda – Muitos mas não todos os fagos têm caudas ligadas à cabeça do fago. A cauda é um tubo ôco através do qual o ácido nuclêico passa durante a infecção. O tamanho da cauda pode variar e alguns fagos não têm a estrutura em cauda. Nos fagos mais complexos como o T4 a cauda é envolvida por uma bainha contrátil que contrai durante a infecção da bactéria.  No fim da cauda, os fagos mais complexos como o T4 têm uma placa-base e uma ou mais fibras da cauda ligadas a ela. A placa-base e fibras da cauda estão envolvidas na ligação do fago à célula bacteriana. Nem todos os fagos têm placa-base e fibras da cauda. Nesses casos  outras estruturas estão envolvidas na ligação da partícula fágica à bactéria.

INFECÇÃO DAS CÉLULAS HOSPEDEIRAS

Adsorção

A primeira etapa no processo de infecção é a adsorção do fago à célula bacteriana. Esta etapa é mediada pelas fibras da cauda ou por algumas estruturas análogas nos fagos que não têm essas fibras e isso é reversível. As fibras se ligam a receptores específicos na célula bacteriana e a especificidade do hospedeiro do fago (i.e. a bactéria que pode ser infectada) é normalmente determinada pelo tipo de fibras da cauda que o fago tem. A natureza do receptor bacteriano varia em bactérias diferentes. Entre os exemplos se incluem proteínas na superfície externa da bactéria, LPS, pili, e lipoproteína. Esses receptores estão na bactéria para outras finalidades e fagos se desenvolveram capazes de usar esses receptores para a sua infecção.

Ligação irreversível

A ligação do fago à bactéria via fibras da cauda é fraca e reversível. A ligação irreversível do fago à uma bactéria é mediada por um ou mais dos componentes da placa-base. Fagos que não têm placa-base têm outras maneiras de se ligarem firmemente à célula bacteriana.

VIDEO 
Bacteriófago
Requer Quicktime
© Mondo Media
San Francisco, California 94107 USA  and The MicrobeLibrary

Contração da Bainha

A ligação irreversível do fago à bactéria leva à contração da bainha (daqueles fagos que têm uma bainha) e a fibra ôca da cauda é empurrada através do envoltório bacteriano (Figura 2). Fagos que não têm bainhas contráteis usam outros mecanismos para fazer a partícula do fago atravessar o envoltório bacteriano. Alguns fagos têm enzimas que digerem vários componentes do envoltório bacteriano.

Injeção do Ácido Nuclêico

Quando o fago passa pelo envoltório bacteriano o ácido nuclêico da cabeça passa através da cauda ôca e entra na célula bacteriana. Normelmente, o único componente do fago que entra na célula é o ácido nuclêico. O restante do fago permanece do lado de fora da bactéria. Há algumas exceções a esta regra. Isso é diferente de virus celulares de animais em que a maioria das partículas virais penetram na célula. Esta diferença é provavelmente devida à inabilidade da bactéria de englobar materiais. 

  Figura 4 Ensaio do fago lítico

Fagos Líticos ou Virulentos

Definição
Fagos líticos ou virulentos são os que só podem se multiplicar em bactéria e matam a célula por lise no final do ciclo de vida.

Ciclo de vida
O ciclo de vida de um fago lítico está ilustrado na Figura 3 .

Período de eclipse
Durante a fase de eclipse, nenhuma partícula fágica infecciosa pode ser encontrada dentro ou fora da célula bacteriana. O ácido nuclêico do fago se apossa da maquinária biossintética do hospedeiro e RNAm e proteínas especificadas pelo fago são produzidas. Ocorre uma expressão ordenada de síntese macromolecular dirigida pelo fago, tal como se vê em infecções por vírus animais. Os primeiros RNAm codificam para as primeiras proteínas que são necessárias para a síntese de DNA do fago e para desligar o DNA, o RNA e a biossíntese protéica do hospedeiro. Em alguns casos as primeiras proteínas na verdade degradam o cromossoma do hospedeiro. Depois que o DNA do fago é feito, novos RNAm e novas proteínas são feitas. As novas proteínas são as proteínas estruturais que compreendem as proteínas do fago e também as proteínas necessárias para a lise da célula bacteriana.

Fase de Acúmulo Intracelular
Nesta fase o ácido nuclêico e proteínas estruturais que foram feitas são montadas e partículas de fago infecciosas se acumulam dentro da célula.

Lise e Liberação do Fago
Após certo tempo a bactéria começa a lisar devido ao acúmulo da proteína de lise do fago e fagos intracelulares são liberados no meio. O número de partículas liberadas por bactéria infectada é de cerca de 1000.

Ensaio do Fago Lítico

Ensaio de placa
Fagos líticos são enumerados em um ensaio de placa. Uma placa é uma área clara que resulta da lise da bactéria (Figura 4). Cada placa é formada por um único fago infeccioso. A partícula infecciosa que produz uma placa é chamada de unidade formadora de placa” (ufp, ou em Inglês upf).

   Figura 6 Recombinação sítio-específica

Fago Lisogênico ou Temperado

Definição
Fagos lisogênicos ou temperados são aqueles que podem se multiplicar pela via do cíclo lítico ou podem entrar em um estado quiescente na célula. Neste estado quiescente a maior parte dos genes não são transcritos; o genoma do fago existe em um estado reprimido. O DNA do fago neste estado reprimido é chamado de profago porque não é um fago mas tem o potencial de produzir um fago. Na maioria dos casos o DNA do fago se integra no cromossomo do hospedeiro e é replicado junto com o cromossoma e transmitido às células-filhas. A célula que contém o profago não é afetada pela presença do profago e este estado lisogênico pode persistir indefinidamente. A célula que abriga o profago é chamada de lisógeno.

Eventos Que levam à Lisogenia

O Fago Prototipo: Lambda

Circularização do cromossomo do fago
O DNA de lambda é uma fita dupla linear com pequenas regiões de fita simples nos terminais 5'. Esses terminais de fita simples são complementares (extremidades coesivas) e assim eles podem parear base a base e produzir uma molécula circular. No interior da célula as extremidades livres do círculo podem ser ligadas para formar um círculo covalentemente fechado como ilustrado na Figura 5.

Recombinação sítio-específica
Um evento recombinacional, catalizado por uma enzima codificada por um fago, ocorre entre um local específico no DNA do fago circularizado e um local específico no cromossomo do hospedeiro. O resultado é a integreação do DNA do profago no cromossomo do hospedeiro como ilustrado na Figura 6.

Repressão do genoma do fago
Uma proteína codificada pelo fago, chamada de repressor, é produzida, que se liga a um local específico no DNA do fago, chamado de operador, e desliga a transcrição da maioria dos genes do fago EXCETO do gene repressor. O resultado é um genoma do fago estavelmente reprimido, que está integrado no cromossomo do hospedeiro. Cada fago temperado vai reprimir apenas o seu próprio DNA e não o do outro fago, de forma que a repressão é muito específica (imunidade à superinfecção pelo mesmo fago).

Figura 8A
Eletromicrografia de varredura (MEV) de células de  Escherichia coli com partículas de fago (que aparecem como pequenos pontos) ligados do lado de fora das células. © Scott Kachlany, Cornell University Ithaca, New York,  USA and The MicrobeLibrary

  Figura 8B
MEV de células de E. coli com envoltórios celulares rompidos, possivelmente devido a liberação de fagos. Após o fago se replicar dentro das células hospedeiras, eles devem ser liberados das células hospedeiras. Isso ocorre normalmente pela lise da célula. © Scott Kachlany, Cornell University Ithaca, New York,  USA and The MicrobeLibrary

Eventos que Levam ao Término da Lisogenia

Todas as vezes que uma bactéria lisogênica está exposta a condições adversas, o estado lisogênico pode ser terminado. Este processo é chamado de indução. Condições que favorecem o término do estado lisogênico incluem: desecação, exposição a UV ou radiação ionizante, exposição a agentes mutagênicos químicos, etc. Condições adversas levam à produção de proteases (proteína Rec A) que destrói a proteína repressora. Isso por sua vez leva à expressão dos genes do fago, reversão do processo de integração (excisão) e multiplicação lítica.

Ciclo Lítico vs Ciclo Lisogênico

A decisão de lambda sobre se entra no ciclo lítico ou lisogênico quando ele entra na célula é determinada pela concentração do repressor e por outra proteína do fago codificada pelo gene cro, no interior da célula. A proteína Cro desliga a síntese do repressor e assim impede o estabelecimento da lisogenia. Condições ambientais que favorecem a produção de Cro irá levar ao ciclo lítico, enquanto que as que favorecem a produção do repressor irá favorecer a lisogenia.

Importância da Lisogenia

Modêlo de transformação por virus animais
Lisogenia é um sistema modêlo para a transformação viral de células animais.

Conversão lisogênica
Quando uma célula se torna lisogenizada, ocasionalmente genes extras carregados pelo fago se expressam na célula. Este processo é chamado de conversão lisogênica ou conversão fágica. Este fenômeno pode ter significado, clinicamente. Ex. Tem sido demonstrado que fagos lisogênicos carregam genes que podem modificar o antígeno O de Salmonella, que é um dos mais importantes antígenos para o qual a resposta imune é dirigida. A produção de toxina pela Corynebacterium diphtheriae é mediada por um gene que é carregado por um fago. Somente aquelas linhagens que foram convertidas por lisogenia são patogênicas.