Introducción a los Bacteriófagos
¿Qué Son los Bacteriófagos?
Un bacteriófago, también conocido como fago, es un tipo de virus que infecta específicamente bacterias. Estos virus son altamente especializados y han demostrado ser herramientas clave en biología molecular, microbiología y terapias innovadoras contra infecciones bacterianas resistentes. Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias que se pueden encontrar en todos los ecosistemas del planeta.
Se trata de las entidades biológicas más abundantes del planeta, siendo además los predadores dominantes en la biosfera. Se estima que en la Tierra hay unos 1031 virus (10 - 100 virus/célula). En el mar se han encontrado entre 106 y 109 fagos/ml y, por otra parte, casi un 30% de las proteínas codificadas por el metagenoma del intestino humano son de origen fágico.
La presencia de los bacteriófagos en todos los ambientes conocidos, incluido el cuerpo humano, da una idea del papel relevante que juegan incluso en la salud humana.
Historia y Relevancia
Frederick Twort en 1915 y Félix d’Herelle en 1917, descubrieron de manera independiente un fenómeno nuevo que consistía en que cultivos bacterianos creciendo en medio líquido desaparecían si se les añadía agua residual filtrada, lo que solo se podía interpretar como consecuencia de un virus filtrable, parásito de las bacterias. Félix d’Herelle los denominó bacteriófagos, nombre que deriva del griego phageton (φαγετον) o comedores de bacterias.
Los bacteriófagos como el T4, el T7 y el lambda han sido objeto de estudio detallado debido a su importancia científica y aplicaciones potenciales en la medicina moderna.
Estructura del Bacteriófago
La partícula fágica o virión tiene una estructura bastante simple, formada por proteínas y ácido nucleico. La estructura de un bacteriófago está diseñada para infectar bacterias de manera eficiente. En el interior de la cabeza o cápsida, con forma icosaédrica o alargada, se encuentra el material genético (ADN o ARN).
Al interior de su cápside proteica, los bacteriófagos almacenan su genoma compuesto por ADN o ARN con la información para codificar proteínas estructurales virales. La cápside puede ser icosaédrico (cortico virus), filamentoso (fago M13) o en forma cabeza-cola (fago T7).
Ciclos de Vida y Reproducción
Mecanismo de Infección
Para llevar a cabo su ciclo de vida, los bacteriófagos necesitan una bacteria huésped para multiplicarse en su interior. Los bacteriófagos se unen a la membrana extracelular bacteriana para introducir su genoma en el citoplasma bacteriano. La infección les permite utilizar la maquinaria de transcripción bacteriana para replicarse.
Los bacteriófagos pueden llevar a cabo dos ciclos de vida conocidos como: el ciclo lítico y el ciclo lisogénico.
El Ciclo Lítico
El ciclo lítico es aquel en que, luego de la inyección del material genético del bacteriófago en la célula bacteriana, ocurre replicación y formación de nuevos bacteriófagos, los cuales destruyen la célula bacteriana cuando salen de la misma. En este ciclo, el bacteriófago toma el control de la maquinaria celular de la bacteria para replicarse, lo que resulta en la lisis celular y la liberación de nuevos fagos.
En el ciclo de vida lítico, los bacteriófagos inducen una muerte rápida de las bacterias y al mismo tiempo se liberan cientos de nuevos virus.
El Ciclo Lisogénico
En el ciclo lisogénico, el material genético del bacteriófago es incorporado al de la bacteria; sin embargo, este proceso puede representar solo la inactivación de genes de virulencia de la misma, además de ser un proceso reversible. En este ciclo, el material genético del fago se integra en el genoma de la bacteria huésped, permaneciendo inactivo hasta que condiciones específicas desencadenen su activación.
El ser más mortífero de nuestro planeta - Bacteriófagos
Diversidad y Clasificación
Existen diversos tipos de bacteriófagos, clasificados según su estructura, tipo de material genético y ciclos de vida. El bacteriófago T4 es un modelo ampliamente estudiado en biología molecular, infectando bacterias del género Escherichia, especialmente Escherichia coli.
Aplicaciones y Potencial de los Bacteriófagos
Fagoterapia: Una Prometedora Alternativa Antimicrobiana
Los bacteriófagos tienen una capacidad antimicrobiana que les proporciona un gran potencial como agentes alternativos para la eliminación de bacterias patógenas, lo que es de gran relevancia en la crisis actual de multirresistencia a los antibióticos. La fagoterapia, también conocida como terapia de fagos, es un tipo de tratamiento que emplea los bacteriófagos para combatir infecciones bacterianas, principalmente las causadas por microorganismos multirresistentes.
Los bacteriófagos tienen un potencial significativo en la medicina moderna, especialmente en el tratamiento de infecciones bacterianas resistentes. En un contexto de creciente resistencia bacteriana, los bacteriófagos ofrecen una alternativa prometedora a los antibióticos convencionales. Sin embargo, a pesar de ser una técnica favorable, la fagoterapia posee ciertas limitaciones.
En las aplicaciones para la Bioingeniería, la modificación genética del genoma de estos virus ha permitido modificar las proteínas de su superficie generando nuevos nanomateriales para el diagnóstico de cáncer y agentes terapéuticos contra bacterias multidrogorresistentes. El estudio de los fagos, de su material genético y de la capacidad que tienen de transferirlo entre sus hospedadores tiene interés, además, porque muchos de ellos codifican factores de virulencia y otras propiedades que pueden convertir, por ejemplo, a bacterias inocuas en patógenas.
Herramientas en Biología Molecular y Biotecnología
Los bacteriófagos han llegado a ser una herramienta importante como un modelo de estudio para el entendimiento de la biología. Su estudio permitió conocer que el ADN es el material genético, que un codón codifica para un aminoácido y dilucidar los procesos de regulación génica. En el campo de la biología molecular, la clonación de genes a través del ensamblaje de ADN ha sido posible al combinar enzimas de restricción que las bacterias usan para cortar secuencias específicas de ADN junto con el proceso de unir moléculas de ADN con la ADN ligasa del bacteriófago T4.
Asimismo, las ADN polimerasas de fagos han servido para la secuenciación de moléculas de ADN. Otra tecnología en pleno auge para la edición genética es CRISPR-Cas (“clustered regularly interspaced short palindromic repeats”), la cual está basada en el mecanismo de defensa de bacterias contra bacteriófagos. De manera experimental, los fagos también pueden utilizarse como vectores para transferir propiedades específicas entre bacterias, utilizando metodologías de DNA recombinante.
Por último, los fagos, dada su sencillez y facilidad de propagación, son excelentes modelos para estudios básicos de interacciones macromoleculares (ADN, ARN, proteínas), control de la expresión génica y metabolismo del ADN.
Los fagos han sido esenciales en el desarrollo de la Biología Molecular y lo serán en nuevos desarrollos biotecnológicos como:
- Fuente de enzimas con actividad antimicrobiana.
- Conservantes de alimentos.
- Andamiajes para exponer péptidos.
- Detectores de contaminación bacteriana.
- Útiles para re-evaluar la transferencia lateral y la Teoría de la Evolución.
- Herramientas para Biología Sintética y de Sistemas.
- Donadores de nanomoléculas para detectores biológicos.
La plataforma tecnológica de librerías de expresión en fagos (phage display) es un sistema muy utilizado en la industria farmacéutica para evaluar anticuerpos, antígenos y toxinas relacionadas a cáncer. En este sistema algunas proteínas de la cápside viral están fusionadas a péptidos con afinidad a células eucariotas, lo que ha permitido la liberación de medicamentos a células cancerosas y el desarrollo de vacunas basadas en fagos al fusionar bacteriófagos con antígenos de patógenos humanos.
Aplicaciones en la Industria Alimentaria y Medio Ambiente
En la industria alimentaria, los bacteriófagos se han usado como agentes biosanitizantes al matar bacterias patógenas (como Campylobacter jejuni y Listeria monocytogenes) o produciendo enzimas (depolimerasas y endolisinas) para reducir la formación de biopelículas en las superficies de los materiales de uso industrial. Otro enfoque ha sido la aplicación de bacteriófagos como agente biopreservante para alargar el tiempo de vida en productos alimenticios al matar bacterias responsables en la putrefacción de los alimentos.
En el ámbito medioambiental, los bacteriófagos modificados genéticamente se están investigando para la remoción de metales pesados, implementando sistemas capaces de contener estos virus con alta capacidad de absorción en agua contaminada.
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