Russian scientists have found a previously unknown bacteriophage Sxt1 in a therapeutic phage cocktail for treating bacterial infections, which is capable of infecting a number of wild strains of E. coli that are resistant to phages from the same family. Having compared Sxt1 with related phages T3 and T7, the scientists discovered that the secret of its effectiveness lies in the structure of the tail fibrils. The results of the study were published in the journal Viruses.
One solution to the problem of bacterial resistance to antibiotics is to treat bacterial infections with bacteriophages, viruses that infect bacteria. However, phages are highly specific and can only infect certain strains of one type of bacteria, so phage cocktails are used in therapy - mixtures of different phages that are active against different strains of one or more types of bacteria. However, due to the lack of data on the clinical effectiveness of therapeutic phage cocktails, their use is limited.
A group of scientists from the Skoltech Metagenome Analysis Laboratory, led by Artem Isaev, studied the composition of the therapeutic phage cocktail “Sextaphage (polyvalent pyobacteriophage),” produced by the Russian company “Microgen,” and isolated a new bacteriophage, Sxt1, which was able to infect a number of E. coli strains, including some of them resistant to other, related phages.
The polyphage cocktail "Sextaphage" contains phages isolated from the bacteria Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Proteus (P. vulgaris, P. mirabilis), P. aeruginosa, Klebsiella pneumoniae and enteropathogenic E. coli. During the study, the scientists used the E. coli strain BW25113 as a host. The phage Sxt1 from the Autographiviridae family was isolated from the cocktail, which turned out to be a close relative of the E. coli phages T3 and T7. Phages from this family have RNA polymerase, which transcribes a number of phage genes. The immediate early genes (genes transcribed immediately after infection of the bacterial cell) of Sxt1, early genes (involved in DNA metabolism and phage genome replication), and some late genes (encoding structural components of phage virions, its packaging, and bacterial lysis) were almost completely identical to the genes of phage T3. Differences between Sxt1 and related phages were found in the genes encoding tail fibers and two internal proteins, and are, according to scientists, the result of phage recombination, presumably with the Berlinvirus phage.
Исследователи построили филогенетическое древо бактериофагов подсемейства Studiervirinae, куда входит Sxt1, определили его предполагаемое происхождение и пришли к выводу, что секрет его исключительности кроется именно в белке латеральных хвостовых фибрилл. Фаги из семейства Autographiviridae для прикрепления к бактериальной клетке используют шесть хвостовых фибрилл, каждая из которых состоит из тримера этого белка. На концах тримера имеются участки, контактирующие с поверхностью клетки. N-концевой домен необходим для прикрепления к капсиду, длинный пирамидальный домен включает в себя бета-листы от каждой из трех молекул, входящих в состав тримера, за ним расположен короткий альфа-спиральный линкер и концевой домен, отвечающий за взаимодействие с бактериальной клеткой. Пирамидальный домен Sxt1 содержал шесть вставок длиной более пяти аминокислот, причем некоторые из вставок образовывали дополнительные бета-слои. Линкер также включал в себя дополнительную вставку из 27 аминокислот. В итоге за счет вставок хвостовая фибрилла Sxt1 длиннее, чем у Т3 и Т7. С помощью программы AlphaFold2 ученым удалось смоделировать концевой домен Sxt1 с альфа-спиральным линкером и часть пирамидального, и оказалось, что она только на 43 процента идентична аналогичной области фага Т3 и на 54 процента — фага Т7. При этом хвостовые фибриллы Sxt1 распознают иной набор рецепторов бактериальной клетки по сравнению с Т3 и Т7.
Для оценки специфичности нового фага исследователи высеяли фаги Sxt1, T7 и T3 на распространенные штаммы E. coli: BW25113, MG1655, BL-21, B, C, DH5α, HS и Nissle1917, а также на штаммы F+ BW39773 и KD263, которые способны ингибировать T7 из-за наличия системы абортивной инфекции PifA. Устойчивыми ко всем фагам оказались только штаммы HS и Nissle1917. Все остальные штаммы E. coli фаг Sxt1 успешно инфицировал. При этом Т3 не смог заразить штаммы линии К12, а Т7 потерпел неудачу со штаммами с системой PifA.
Для определения спектра хозяев фага Sxt1 ученые проверили, как он взаимодействует с разными штаммами кишечной палочки. Бактерии E. coli делятся на серогруппы по строению О-антигена — полисахарида на внешней мембране клеточной стенки, отличающегося высокой вариабельностью и позволяющего бактериям избегать защитного действия адаптивного иммунитета. Исследователи предполагают, что О-антигены — одно из основных препятствий для распознавания бактерии фагами. То есть, чем выше специфичность фага к О-антигенам бактерий, тем более эффективен он для фаговой терапии. Исследователи использовали коллекцию ECOR — набор природных изолятов E. coli с расходящимися типами О-антигенов и проверили, как на разные штаммы действуют фаги Sxt1, T3 и T7. Фаг Sxt1 смог инфицировать 15 из 72 штаммов коллекции (20 процентов), включая всех бактерий, восприимчивых к T7 и/или T3, и еще 7 штаммов, устойчивых к этим фагам. Тогда исследователи проанализировали действие фага на штамм ECOR50, который чувствителен к Sxt1, но не к T7 или T3, и оказалось, что только Sxt1 способен связываться с его поверхностью. То есть, причина эффективности Sxt1 кроется в его умении распознавать рецепторы бактерии, а не в повышенной устойчивости к защитным системам клетки.
Ученые пришли к выводу, что фаг Sxt1 с расширенным спектром хозяев эффективнее своих родственников — фагов Т3 и Т7. Он имеет большой потенциал для терапевтического применения при инфекциях, вызванных E. coli, а оценка его специфичности могла бы стать стандартной процедурой для характеристики бактериофагов.
В последние годы в свете борьбы с антибиотикорезистентностью ведется активный поиск новых бактериофагов, а также разработка методов их модификации. В 2021 году американские ученые встроили в бактериофаг систему CRISPR/Cas9, что позволило нацелить его на конкретный штамм кишечной палочки. В том же году португальские ученые создали синтетические бактериофаги, поражающие синегнойную палочку.