Wat zijn fagen en waarom zijn ze belangrijk?
Het was deze week Wereldfagenweek, en daar hoort natuurlijk een blogpost over fagen bij! Wat zijn fagen zelfs, vraag je je misschien wel af? Je bent aan het juiste adres!
Wat zijn fagen?
Fagen zijn virussen, en wel virussen die bacteriën infecteren. Net zoals je virussen hebt die de mens ziek maken of planten besmetten, heb je dus ook virussen die bacteriën gaan infecteren. Virussen hebben namelijk altijd een ‘gastheer’ nodig om zich te kunnen vermenigvuldigen, en die gastheer kan ook een bacterie zijn.
De faag kan zich aldus reproduceren door een geschikte bacterie te infecteren en daarin kopieën van zichzelf te maken. Dit kan zowel actief als passief verlopen. In het actieve scenario neemt de faag de macht van de bacteriële cel over, een beetje te vergelijken met een computervirus die de macht over je computer neemt. De faag vormt het metabolisme van de bacterie om tot het produceren van nieuwe kopieën van de faag, zodat die zich vermenigvuldigt. Dit actieve proces, ook wel de lytische cyclus genoemd, eindigt ook niet zo goed voor de bacterie. Op het einde van zo’n ronde van vermenigvuldigen breken de nieuwe fagen de bacterële cel van binnenuit open, zodat ze zich opnieuw kunnen verspreiden. De bacteriële cel springt kapot.
Fagen zijn anders dan klassieke antibiotica
Bijna honderd jaar geleden ontdekte Alexander Fleming in zijn laboratorium penicilline, de stof die afgescheden werd door een penseelschimmel en de bacteriën errond bleek af te doden. Penicilline, net als andere klassieke antibiotica, zijn (complexe) chemische moleculen die inwerken op essentiële processen of structuren van de bacterie (bv. de celwandvorming of eiwitsynthese), waardoor deze niet meer groeit of afsterft. Het nadeel is dat bacteriën, net zoals alle andere biologische entiteiten, onderhevig zijn aan een natuurlijke selectie. Sommige bacteriën zullen door toevallige veranderingen in hun erfelijk materiaal minder of niet meer gevoelig aan het antibioticum, zodat hun groei en voortplanting niet belemmerd wordt. Daardoor verpreidt de resistentie zich. Het antibioticum kan echter niet zomaar mee evolueren, want het is een chemische structuur, geen biologisch wezen.
En dat is net één van de grote verschillen tussen fagen en klassieke antibiotica! Fagen kunnen ook evolueren. Je ziet zelfs een co-evolutie optreden tussen de faag en de bacteriële gastheer: de faag zal een infectie starten, waarna de bacterie evolueert en resistent wordt, waarna de faag evolueert om de bacterie opnieuw te kunnen infecteren, enzovoort. Dat komt omdat fagen hun gastheer expliciet nodig hebben om te reproduceren, dus hier is er ook een natuurlijke selectie!
Je kan dus zeggen dat fagen een alternatief zijn voor antibiotica. En vaak zelf een complementair alternatief: de resistentiemechanismen die bacteriën gebruiken tegen fagen zijn anders dan diegene tegen antibiotica. Daardoor kan een infectie door een faag soms als resultaat hebben dat de bacterie opnieuw gevoelig wordt tegen antibiotica.
Fagen: waar zijn ze goed voor?
Nu we weten wat fagen zijn, kunnen we stilstaan bij waar we ze allemaal kunnen toepassen. De meest gekende toepassing van fagen is faagtherapie, het toepassen van fagen voor het bestrijden van bacteriële infecties (bij de mens). Faagtherapie werkt door de virussen extern, via inalatie of intraveneus toe te dienen, waarna ze kunnen vermenigvuldigen wanneer ze een geschikte (ziekmakende) bacterie tegenkomen. Komen ze zo een geschikte bacterie tegen, dan zie je een exponentieel effect, omdat uit één infectie telkens meerdere nieuwe fagen geproduceerd worden. Worden er geen geschikte gastheren meer gevonden, dan stoppen de fagen met vermenigvuldigen en verdwijnen ze uit het lichaam door afbraak en excretie.
Ook in België worden al patiënten behandeld met faagtherapie, onder andere in het Koningin Astrid militair hospitaal en het UZ Leuven. Eén van de vooruitgangen waar ik zelf enorm benieuwd naar ben is het toepassen van fagen om selectief je darmmicrobioom te kunnen verbeteren. Wetenschappers zijn stilaan meer en meer over het microbioom aan het leren, en ook hoe dat gelinkt is met verschillende ziekten. Het grootse idee is dat we met fagen het microbioom (zouden) kunnen aanpassen om die ziekten te voorkomen of vermijden!
Naast medische toepassingen kunnen fagen onder andere ook gebruikt worden in de voedsel- en landbouwsector. Ook daar zorgen bacteriën voor contaminaties en infecties, wat zorgt voor verliezen in die industrieën. Fagen inzetten voor zogenaamde biopreservatie kan opbrengsten verhogen en ons voedsel veiliger maken. Verschillende faagproducten van onder andere de bedrijven Intralytix en Micreos zijn daarvoor trouwens al beschikbaar op de markt.
Finaal zijn er nog verscheidene andere (potentiële) toepassingen van fagen, zoals faag display, als toedieningsmethode voor vaccins of als biologische sensoren. Kortom, fagen mogen dan wel heel klein zijn, ze hebben wel een groot aantal mogelijke toepassingen!
De afbeeldingen voor deze post zijn (deels) gemaakt door Roach et al. (2017) en twist.glyph van Noun Project.