Rosyjscy naukowcy odkryli, że w terapeutycznym koktajlu fagowym do leczenia zakażeń bakteryjnych znajduje się nieznany wcześniej bakteriofag Sxt1, który jest w stanie zakażać wiele dzikich szczepów E. coli odpornych na fagi z tej samej rodziny. Porównując Sxt1 z pokrewnymi fagami T3 i T7, naukowcy odkryli, że tajemnica jego skuteczności leży w strukturze włókienek ogonka. Wyniki badania 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 infekować tylko określone szczepy jednego typu bakterii, dlatego w terapii stosuje się koktajle fagowe - mieszanki różnych fagów, które są aktywne przeciwko różnym szczepom jednego lub więcej typów bakterii. Jednak ze względu na brak danych dotyczących skuteczności klinicznej terapeutycznych koktajli fagowych ich stosowanie jest ograniczone.
Grupa naukowców z Laboratorium Analizy Metagenomu Skoltech pod przewodnictwem Artema Isajewa zbadała skład terapeutycznego koktajlu fagowego „Sextaphage (poliwalentny piobakteriofag)” produkowanego przez rosyjską firmę Mikrogen i wyizolowała nowego bakteriofaga Sxt1, który był w stanie zakażać szereg szczepów E. coli, w tym niektóre oporne 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 enteropatogennej E. coli. Podczas badań naukowcy wykorzystali szczep E. coli BW25113 jako gospodarza. Z koktajlu wyizolowano faga Sxt1 z rodziny Autographiviridae, który okazał się bliskim krewnym fagów E. coli T3 i T7. Fagi z tej rodziny posiadają polimerazę RNA, która transkrybuje szereg genów fagowych. Bezpośrednie wczesne geny (geny transkrybowane bezpośrednio po zakażeniu komórki bakteryjnej) Sxt1, wczesne geny (biorące udział w metabolizmie DNA i replikacji genomu faga) i niektóre późne geny (kodujące strukturalne składniki wirionów faga, ich pakowanie i lizę bakterii) były niemal identyczne z genami faga T3. Różnice między Sxt1 a pokrewnymi fagami stwierdzono 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 spektrum gospodarzy faga Sxt1, naukowcy przetestowali, jak wchodzi on w interakcje z różnymi szczepami E. 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 unikać ochronnych efektów odporności adaptacyjnej. Naukowcy sugerują, 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 z różnymi typami antygenów O, i sprawdzili, jak fagi Sxt1, T3 i T7 wpływają na różne szczepy. Fag Sxt1 zdołał zainfekować 15 z 72 szczepów w 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 wpływ faga na szczep ECOR50, który jest wrażliwy na Sxt1, ale nie na T7 i T3. Okazało się, że tylko Sxt1 był 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 o rozszerzonym zakresie żywicieli jest skuteczniejszy niż jego krewni, fagi 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 kontekście walki z opornością na antybiotyki, trwają intensywne poszukiwania nowych bakteriofagów oraz opracowywanie metod 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 zakażają Pseudomonas aeruginosa.