Rosyjscy naukowcy odkryli w terapeutycznym koktajlu fagowym do leczenia infekcji bakteryjnych nieznany wcześniej bakteriofag Sxt1, zdolny do infekowania szeregu dzikich szczepów Escherichia coli opornych na fagi z tej samej rodziny. Porównując Sxt1 z pokrewnymi fagami T3 i T7, naukowcy odkryli, że tajemnica jego skuteczności tkwi w strukturze włókienek ogona. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Viruses.
Jednym z rozwiązań problemu oporności bakterii na antybiotyki jest leczenie infekcji bakteryjnych za pomocą bakteriofagów — wirusów infekujących bakterie. Fagi są jednak wysoce specyficzne i mogą infekować tylko określone szczepy jednego rodzaju bakterii, dlatego w terapii stosuje się koktajle fagowe — mieszaniny różnych fagów, które wykazują aktywność przeciwko różnym szczepom jednego lub kilku typów bakterii. Jednak ze względu na brak danych na temat skuteczności klinicznej terapeutycznych koktajli fagowych ich zastosowanie jest ograniczone.
Grupa naukowców z Laboratorium Analiz Metagenomu w Skoltech, kierowana przez Artema Isaeva, zbadała skład terapeutycznego koktajlu fagowego „Sextaphage (pyobacteriphage multivalent)” produkowanego przez rosyjską firmę „Microgen” i wyizolowała nowy bakteriofag Sxt1, który był w stanie do zakażenia szeregu szczepów E coli, w tym niektórych z nich opornych na inne spokrewnione fagi.
Koktajl polifagowy „Sextaphage” zawiera fagi wyizolowane z bakterii Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Proteus (P. vulgaris, P. mirabilis), P. aeruginosa, Klebsiella pneumoniae i enteropatogenną E. coli. W toku badań naukowcy wykorzystali jako żywiciela szczepy E. coli BW25113. Z koktajlu wyizolowano faga Sxt1 z rodziny Autographiviridae, który okazał się bliskim krewnym fagów T3 i T7 Escherichia coli. Fagi z tej rodziny mają polimerazę RNA, która transkrybuje wiele genów fagów. Geny wczesne (geny ulegające transkrypcji bezpośrednio po zakażeniu komórki bakteryjnej) Sxt1, geny wczesne (zaangażowane w metabolizm DNA i replikację genomu faga), a także część genów późnych (kodujące elementy strukturalne wirionów fagów, pakowanie ego i bakteryjne liza) były prawie całkowicie identyczne z genami faga T3. Różnice między Sxt1 a pokrewnymi fagami występują w genach kodujących włókienka ogona i dwa białka wewnętrzne i według naukowców są wynikiem rekombinacji fagów, prawdopodobnie z fagiem Berlinvirus.
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.
Aby określić zakres żywicieli faga Sxt1, naukowcy sprawdzili, w jaki sposób oddziałuje on z różnymi szczepami Escherichia coli. Bakterie E. coli dzielą się na serogrupy w oparciu o strukturę antygenu O, polisacharydu znajdującego się na zewnętrznej błonie ściany komórkowej, który jest bardzo zmienny i pozwala bakteriom uniknąć ochronnego działania odporności nabytej. Badacze zakładają, że antygeny O stanowią jedną z głównych przeszkód w rozpoznawaniu bakterii przez fagi. Oznacza to, że im wyższa specyficzność faga wobec antygenów O bakterii, tym skuteczniejsza jest on w terapii fagowej. Naukowcy wykorzystali kolekcję ECOR – zestaw naturalnych izolatów E. coli z różnymi typami antygenów O i sprawdzili, jak fagi Sxt1, T3 i T7 działają na różne szczepy. Fag Sxt1 był w stanie zainfekować 15 z 72 szczepów kolekcji (20 procent), w tym wszystkie bakterie wrażliwe na T7 i/lub T3 oraz kolejne 7 szczepów opornych na te fagi. Następnie badacze przeanalizowali działanie faga na szczep ECOR50, który jest wrażliwy na Sxt1, ale nie na T7 czy T3 i okazało się, że tylko Sxt1 jest w stanie wiązać się z jego powierzchnią. Oznacza to, że powodem skuteczności Sxt1 jest jego zdolność do rozpoznawania receptorów bakteryjnych, a nie zwiększona odporność na systemy obronne komórki.
Naukowcy doszli do wniosku, że fag Sxt1 z rozszerzonym zakresem żywicieli jest skuteczniejszy niż jego krewni — fagi T3 i T7. Ma ogromny potencjał terapeutyczny w zakażeniach wywołanych przez E. coli, a ocena jej specyficzności mogłaby stać się standardową procedurą charakteryzowania bakteriofagów.
W ostatnich latach w walce z antybiotykoopornością prowadzono aktywne poszukiwania nowych bakteriofagów i opracowywanie metod ich modyfikacji. W 2021 roku amerykańscy naukowcy wbudowali system CRISPR/Cas9 w bakteriofaga, co umożliwiło mu namierzenie określonego szczepu E. coli. W tym samym roku portugalscy naukowcy stworzyli syntetyczne bakteriofagi atakujące Pseudomonas aeruginosa.