Els virus dels bacteris

Introducció als fags

Els microorganismes i la humanitat han conviscut des que es va originar la nostra espècie, fet que ha donat lloc a tot d’interaccions, tant de bones com de dolentes. Molts microorganismes són benefi­ciosos per a l’ésser humà, mentre que d’altres poden generar malalties. Entre els microorganismes més coneguts, trobem els bacteris i els virus. A diferència dels bacteris, organismes unicel·lulars procariotes, els virus són paràsits intracel·lulars obligats, cosa que significa que necessiten un hoste per a completar el seu cicle vital. Estan constituïts per àcids nucleics que formen el seu genoma i proteïnes que el recobreixen. Inerts en el medi extracelul·lar, són capaços de reconèixer de manera molt específica els seus hostes. Una vegada es produeix el reconeixement, injecten el seu material genètic (és a dir, el seu genoma) en l’hoste, i segresten la seua maquinària cel·lular per a poder replicar-se i produir progènie viral. En general, hi ha virus capaços d’infectar organismes dels tres dominis de la vida –bacteris, arqueobacteris i eucariotes– i, de fet, són altament específics: cada virus està especialitzat a reconèixer un petit rang d’hostes. Per exemple, els virus que infecten bacteris, denominats bacteriòfags, solament reconeixen alguns bacteris, i no podran reconèixer ni infectar mai cèl·lules eucariotes. Dins dels virus d’eucariotes, els virus de plantes són molt diferents dels virus d’animals, i dins dels animals, hi ha virus que infecten un tipus cel·lular o un altre.

Els bacteriòfags, comunament anomenats fags, són els virus més abundants de la biosfera. S’estima que hi ha 1031 partícules virals, és a dir, deu vegades més de virus que de bacteris, i que, per a cada bacteri, hi ha almenys un fag capaç d’infectar-lo. Aquests nombres reflecteixen la importància dels fags en els ecosistemes, així com l’enorme diversitat que presenten, encara desconeguda. Els fags contenen genomes que poden ser d’ARN o ADN, de cadena senzilla o doble, circulars o lineals, segmentades o no segmentades. A més, s’ha observat un gran nombre de morfologies, que va creixent a mesura que es van descobrint nous fags (Figura 1).

Segons el seu cicle biològic, els fags poden dividir-se en fags lítics i temperats, encara que s’han descrit cicles alternatius. Els primers destrueixen el bacteri hoste en un procés conegut com lisi, que representa la ruptura de la membrana cel·lular i l’alliberament del virus al medi extracelul·lar. Els fags temperats incorporen el seu genoma en el de l’hoste, es mantenen latents en forma de profags i representen un paper fonamental en la transferència horitzontal de gens, és a dir, la transmissió d’informació genètica entre organismes que no es produeix a través de la transmissió vertical.

El descobriment dels fags i les seues primeres aplicacions

Els fags van ser descoberts fa ja més d’un segle de manera independent pel bacteriòleg Frederick Twort (1915) i el microbiòleg Félix d’Hérelle (1917). Tots dos buscaven una explicació de l’halo que a vegades observaven quan feien cultius bacterians en plaques d’agar (Figura 2). No obstant això, va ser D’Hérelle qui va proposar que l’halo observat era el resultat de la lisi bacteriana deguda a un altre microorganisme, que va denominar bacteriòfag. D’Hérelle va ser també pioner a aplicar els fags com a tractament en xiquets amb disenteria a França i còlera a l’Índia, fet que marca l’inici, per tant, de la teràpia de fags. Poc després, a causa del descobriment de la penicil·lina en 1928 per Alexander Fleming i després de la II Guerra Mundial, l’ús d’anti­biòtics d’ampli espectre es va estendre als països d’Occident i la teràpia de fags va quedar oblidada. Mentrestant, als països de l’Est, on l’accés als antibiòtics era pràcticament nul, els fags van continuar usant-se com a tractament contra infeccions bacterianes, la qual cosa ha afavorit que avui dia s’hi troben centres de referència mundial que continuen utilitzant aquestes teràpies de manera rutinària.

Avui dia, els països occidentals manquen de legislació específica i d’assajos clínics reconeguts i validats per les agències reguladores per a l’ús de fags en pacients. Aquest tan sols està permès en casos excepcionals com a tractament compassiu. No obstant això, científics i metges de tot el món estem sol·licitant a les agències reguladores la necessitat d’incloure la teràpia de fags com a tractament reconegut. Al nostre país, des de la Xarxa Espanyola de Bacteriòfags i Elements Transductors (FAGOMA), estem iniciant la tramitació a través de l’Agència Espanyola de Medicaments i Productes Sanitaris (AEMPS) per a facilitar-ne el reconeixement com a tractament efectiu contra bacteris multiresistents.

Els fags en investigació bàsica

Els fags han sigut àmpliament utilitzats per a comprendre processos biològics fonamentals com la replicació, la transcripció i la traducció dels àcids nucleics. Cal destacar que una gran quantitat de productes derivats de fags s’utilitzen habitualment com a reactius en la investigació, com és el cas de les ligases i les polimerases. A Espanya, la patent del mètode d’amplificació d’àcids nucleics basat en l’ADN polimerasa obtinguda a partir del fag phi29 –descoberta per Margarita Salas– continua sent la més rendible que ha presentat el CSIC. De fet, aquesta tecnologia es considera una de les grans fites de la història de la ciència al nostre país. Així mateix, premis Nobel de Química recents han sigut atribuïts a investigacions basades en fags. En 2018, Frances Arnold, George P. Smith i Gregory Winter van ser guardonats per desenvolupar un mètode basat en fags com a vectors per a la clonació o expressió de gens, conegut com phage display, que permet l’evolució dirigida d’enzims i anticossos. Mitjançant aquesta tècnica poden combinar-se proteïnes d’interès en la part externa d’un fag per crear biblioteques de proteïnes que podran ser útils en diversos camps com el desenvolupament d’anticossos, l’estudi d’interaccions proteïna-proteïna, o la producció d’antivirals o antitumorals, entre moltes aplicacions més. Recentment, en 2020, Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna van ser premiades per la translació del sistema immunitari dels bacteris davant dels fags al seu ús com a «tisores genètiques», conegut com CRISPR-Cas9. Aquesta eina permet fer canvis en l’ADN de qualsevol organisme amb una elevada precisió. Aquests són només alguns exemples de l’ús de fags com a model experimental en ciència bàsica i les aplicacions potencials que tenen en l’actualitat.

Pilar Domingo-Calap és investigadora Ramón y Cajal i investigadora principal del Grup de Virologia Ambiental i Biomèdica de l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio).

Llig ací l’article complet publicat a la Revista Mètode