Rosyjscy naukowcy odkryli nieznanego wcześniej bakteriofaga Sxt1 w terapeutycznym koktajlu fagowym do leczenia infekcji bakteryjnych. Jest on zdolny do infekowania wielu dzikich szczepów E. coli opornych na fagi z tej samej rodziny. Po porównaniu Sxt1 z pokrewnymi fagami T3 i T7, naukowcy odkryli, że sekret jego skuteczności tkwi w strukturze włókien ogonka. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Viruses”.
Jednym z rozwiązań problemu oporności bakterii na antybiotyki jest leczenie zakażeń bakteryjnych za pomocą bakteriofagów – wirusów infekujących bakterie. Fagi są jednak wysoce specyficzne i mogą infekować tylko określone szczepy jednego gatunku bakterii. Dlatego w terapii stosuje się koktajle fagowe – mieszaniny różnych fagów, które działają na różne szczepy jednego lub więcej gatunków bakterii. Jednak ze względu na brak danych dotyczących skuteczności klinicznej terapeutycznych koktajli fagowych, ich zastosowanie jest ograniczone.
Zespół naukowców z Laboratorium Analizy Metagenomu Skoltech pod kierownictwem Artema Isajewa zbadał skład terapeutycznego koktajlu fagowego „Sextaphage (poliwalentny piobakteriofag)”, produkowanego przez rosyjską firmę Mikrogen, i wyizolował nowego bakteriofaga, Sxt1, który był w stanie zakażać szeroką gamę szczepów E. coli, w tym te, które są oporne na inne, spokrewnione fagi.
Koktajl polifagowy „Sextaphage” zawiera fagi wyizolowane ze Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Proteus (P. vulgaris, P. mirabilis), P. aeruginosa, Klebsiella pneumoniae oraz enteropatogennej E. coli. W badaniu naukowcy wykorzystali szczep E. coli BW25113 jako gospodarza. Z koktajlu wyizolowano faga Sxt1 z rodziny Autographiviridae. Okazało się, że jest on bliskim krewnym fagów E. coli T3 i T7. Fagi z tej rodziny posiadają polimerazę RNA, która transkrybuje szereg genów fagowych. Geny wczesne (transkrypowane natychmiast po zakażeniu komórki bakteryjnej) Sxt1, geny wczesne (zaangażowane w metabolizm DNA i replikację genomu faga) oraz niektóre geny późne (kodujące składniki strukturalne wirionów fagowych, ich pakowanie i lizę bakterii) były niemal identyczne z genami faga T3. Różnice między Sxt1 a pokrewnymi fagami stwierdzono w genach kodujących włókna ogonkowe oraz dwa białka wewnętrzne i, według 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.
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.
