Rosyjscy naukowcy odkryli w terapeutycznym koktajlu fagowym przeznaczonym do leczenia zakażeń bakteryjnych nieznany wcześniej bakteriofag Sxt1, który jest zdolny do zakażania wielu dzikich szczepów Escherichia coli odpornych na fagi z tej samej rodziny. Porównując Sxt1 z pokrewnymi fagami T3 i T7, naukowcy odkryli, że tajemnica jego skuteczności tkwi w strukturze włókienek ogonkowych. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Viruses.
Jednym z rozwiązań problemu oporności bakterii na antybiotyki jest leczenie zakażeń bakteryjnych za pomocą bakteriofagów — wirusów, które zakażają bakterie. Jednak fagi są bardzo specyficzne i mogą zakażać tylko określone szczepy jednego typu bakterii, dlatego w terapii stosuje się koktajle fagowe — mieszanki różnych fagów, które działają na różne szczepy jednego lub kilku typów bakterii. Jednak ze względu na brak danych dotyczących skuteczności klinicznej terapeutycznych koktajli fagowych ich stosowanie jest ograniczone.
Grupa naukowców z Laboratorium Analizy Metagenomu Skoltechu pod kierownictwem Artema Isajewa zbadała skład terapeutycznego koktajlu fagowego „Sextaphage (poliwalentny piobakteriofag)” produkowanego przez rosyjską firmę „Microgen” i wyizolowała nowego bakteriofaga Sxt1, który okazał się zdolny do zakażania wielu szczepów E. coli, w tym niektórych 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 enteropatogennych E. coli. W toku badań naukowcy wykorzystali szczepy E. coli BW25113 jako gospodarza. Z koktajlu wyizolowano faga Sxt1 z rodziny Autographiviridae, który okazał się bliskim krewnym fagów Escherichia coli T3 i T7. Fagi z tej rodziny posiadają polimerazę RNA, która transkrybuje szereg genów fagowych. Wczesne geny (geny transkrybowane bezpośrednio po zakażeniu komórki bakteryjnej) Sxt1, wczesne geny (biorące udział w metabolizmie DNA i replikacji genomu faga), a także część późnych genów (kodujących składniki strukturalne wirionów faga, pakowanie ego i lizę bakterii) były prawie całkowicie identyczne z genami faga T3. Różnice między fagami Sxt1 a pokrewnymi występują w genach kodujących włókienka ogonkowe oraz dwa białka wewnętrzne. Zdaniem naukowców są one wynikiem rekombinacji faga, 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 gospodarzy faga Sxt1, naukowcy sprawdzili, jak wchodzi on w interakcje z różnymi szczepami Escherichia coli. Bakterie E. coli dzielą się na serogrupy na podstawie struktury antygenu O, polisacharydu znajdującego się na zewnętrznej błonie ściany komórkowej, który jest bardzo zmienny i pozwala bakteriom uniknąć ochronnego działania odporności adaptacyjnej. Naukowcy zakładają, że antygeny O stanowią jedną z głównych przeszkód w rozpoznawaniu bakterii przez fagi. Im wyższa specyficzność faga w stosunku do antygenów O bakterii, tym skuteczniejsza jest terapia fagowa. Naukowcy wykorzystali kolekcję ECOR - zestaw naturalnych izolatów E. coli posiadających różne typy antygenów O i sprawdzili, jak fagi Sxt1, T3 i T7 działają na różne szczepy. Fag Sxt1 zdołał zainfekować 15 z 72 szczepów kolekcji (20 procent), w tym wszystkie bakterie wrażliwe na T7 i/lub T3, a także 7 innych szczepów opornych na te fagi. Następnie naukowcy przeanalizowali działanie faga na szczep ECOR50, który jest wrażliwy na Sxt1, ale nie na T7 i T3. Okazało się, że tylko Sxt1 jest w stanie wiązać się z jego powierzchnią. Zatem skuteczność Sxt1 leży w jego zdolności rozpoznawania receptorów bakteryjnych, a nie w zwiększonej odporności na systemy obronne komórki.
Naukowcy doszli do wniosku, że fag Sxt1, który ma większy zasięg występowania, jest skuteczniejszy od swoich krewnych — fagów T3 i T7. Bakteriofagi te mają duży potencjał terapeutyczny w leczeniu zakażeń wywołanych przez E. coli, a ocena ich swoistości może stać się standardową procedurą charakteryzowania bakteriofagów.
W ostatnich latach w walce z opornością na antybiotyki prowadzone są aktywne poszukiwania nowych bakteriofagów oraz opracowywane są metody ich modyfikacji. W 2021 roku amerykańscy naukowcy wbudowali system CRISPR/Cas9 w bakteriofaga, co pozwoliło mu na atakowanie konkretnego szczepu E. coli. W tym samym roku portugalscy naukowcy stworzyli syntetyczne bakteriofagi, które atakują Pseudomonas aeruginosa.