Een faag, hoe maak je dat?
Wat is een faag nu weeral?
Bacteriofagen, of fagen in het kort, zijn virussen die bacteriën infecteren. Fagen, zoals alle virussen, behoren tot de meest eenvoudige biologische entiteiten op de planeet. Ze zijn zo eenvoudig dat ze steeds een ander biologisch organisme nodig hebben om zichzelf te kunnen voortplanten. Een faag bestaat namelijk uit niets meer dan een verzameling van genetisch materiaal (DNA of RNA) en eiwitten die het genetisch materiaal omgeven. Dat geheel wordt aangeduid als het virion.
Het virion heeft zelf echter helemaal geen metabolische of reproductieve capaciteiten. Vandaar dat we virussen vaak niet als ‘levend’ beschouwen. Het genetisch materiaal van een faag bevat echter de genen die ‘coderen’ voor alle eiwitten die de faag nodig heeft om een geschikte bacterie te infecteren en die bacterie aan het werk te zetten om de faag te vermenigvuldigen. Om zichzelf te kunnen vermenigvuldigen moet een faag dus allereerst in contact komen met een geschikte bacterie. Pas na die initiële ontmoeting kan de faag zijn geïnfecteerde gastheer aan het werk zetten om virale nakomelingen te maken.
Hoe maken fagen zichzelf?
Dat was een strikvraag, een faag kan zichzelf niet maken, althans niet zonder de hulp van een bacteriële gastheer! Zoals hierboven gezegd, moet de faag daarom eerst en vooral in contact komen met een geschikte gastheer. De initiële ontmoeting gebeurt doordat specifieke eiwitten (vaak gelegen op de staart van de faag) receptoren herkennen op het oppervlak van de bacterie. Nadat het virion zich heeft vastgehecht op de bacterie kan het zijn genetisch materiaal naar binnen loodsen. Hiervoor wordt de celwand van de bacterie lokaal gedegradeerd, en erna het genetisch materiaal naar binnen getransporteerd.
Eens het genetisch materiaal binnen geraakt is, wordt de bacterie al snel aan het werk gezet om faag eiwitten te maken en het genetisch materiaal van de faag te vermenigvuldigen. Daarenboven zijn fagen slim: vaak wijzigen ze het metabolisme van de bacterie op die manier dat het aantal nakomelingen van de faag gemaximaliseerd wordt. Zo halen ze letterlijk het meeste uit elke bacterie die ze infecteren. Daarna volgt de meest spectaculaire stap: eens alle nodige eiwitten geproduceerd zijn assembleren deze op zichzelf in de bacterie! De verzameling eiwitten maken dus uit zichzelf een nieuw faag partikel. Daarna wordt het genetisch materiaal (dat ook vermenigvuldigd werd) nog in elk geassembleerd partikel geduwd. Na deze stap zijn de nieuwe fagen klaar voor vertrek. Ze gebruiken finaal speciale eiwitten (endolysinen genaamd) om de bacterie van binnenuit open te breken, zodat de nieuwe fagen in de omgeving terecht komen. Dan kan de gehele cyclus herbeginnen. Deze cyclus wordt de lytische cyclus genoemd, en is samen met de lysogene cyclus de meest courante levenswijze van fagen.
Hoe kunnen wij in het laboratorium fagen maken?
De gastheer van een faag kan ook een bacteriële pathogeen zijn, zoals Salmonella enterica, Pseudomonas aeruginosa of Acinetobacter baumannii. En aangezien fagen hun gastheer kunnen afdoden tijdens hun replicatie, zijn ze interessant om te gebruiken als alternatieve antibiotica! In het labo kunnen we fagen kweken en groeien door ze eerst te isoleren uit hun natuurlijke omgeving en dan via een geschikte gastheer laten vermenigvuldigen. We kunnen echter ook iets slimmer te werk gaan, vooral wanneer we een faag vanuit elementaire bouwstenen als DNA willen opbouwen.
We starten hier met kleinere stukken DNA die samen het gehele genoom van de gewenste faag bevatten. Wanneer we een faag genetisch zouden willen wijzigen kunnen we evengoed starten met een gewijzigd stukje DNA. Daarna brengen we deze DNA-fragmenten in gist cellen. Gist is namelijk zeer goed in het samenplakken van verschillende stukken DNA. We moeten er wel voor zorgen dat de verschillende stukken DNA wat overlap hebben zodat gist weet in welke volgorde de stukken aan elkaar moeten komen. Als dat gebeurd is, halen we het samengevoegde stuk DNA terug uit de gist. Dat stuk bevat nu het volledige genetisch materiaal om een faag te maken eens het terecht komt in een geschikte gastheer. In de laatste stap gaan we dat DNA aldus binnenbrengen in een geschikte gastheer, waarna (zoals bij de natuurlijke lytische cyclus) het metabolisme van de gastheer overgenomen wordt en nieuwe faagpartikels begint te produceren. Eens er een kritieke massa faag partikels aanwezig zijn, barst de bacteriële cel open en komen de gewenste fagen vrij. En dat is (met enige nuance) hoe we fagen maken!