Bakteriofag - Definisi, Struktur, Siklus Hidup, Aplikasi, Terapi Fag

Read Also

Definisi Bakteriofag

• Bakteriofag atau Phage adalah virus yang menginfeksi dan bereplikasi hanya di dalam tubuh bakteri.

• Bakteriofag ditemukan secara independen oleh Frederick W. Twort di Inggris dan Félix d'Hérelle di Prancis.

• Istilah 'bakteriofag' berasal dari dua kata; 'bakteri' dan 'phagein', yang berarti melahap. Istilah ini diciptakan oleh Félix d'Hérelle.

• Ini ditemukan di seluruh dunia dalam lingkungan yang berbeda dan bahkan diakui sebagai salah satu agen biologis paling melimpah di bumi. Ini adalah partikel biologis paling melimpah di air dan komponen biomassa paling melimpah kedua di darat setelah prokariota.

• Bakteriofag yang menginfeksi bakteri juga dapat menginfeksi anggota domain Archaea.

• Bakteriofag beragam dalam ukuran bentuk dan organisasi genomnya tergantung pada jenis bakteri yang mereka infeksi, tetapi komposisi dasarnya tetap sama.

• Semua bakteriofag terdiri dari genom asam nukleat yang tertutup di dalam cangkang protein kapsid yang dikodekan oleh fag.

• Struktur kepala fag yang berbeda mungkin berbeda, ukuran fag berkisar antara 24-200 nm.

• Bentuk, ukuran, dan struktur bakteriofag yang berbeda berbeda tergantung pada jenis bakteriofag.

• Studi tentang bakteriofag telah meningkat selama bertahun-tahun, karena ruang lingkup aplikasi mereka telah meningkat.

• Kemampuan fag untuk menginfeksi dan mungkin membunuh agen bakteri menular mengedepankan potensi mereka sebagai kemungkinan suplemen atau pengganti agen antibiotik.

• Mekanisme infeksi bakteriofag tetap hampir sama di mana mereka pertama kali menempel pada sel host dan memasukkan genom mereka ke dalam sel host untuk menangguhkan mesin seluler host.

Struktur Bakteriofag

• Meskipun ada berbagai jenis fag tergantung pada jenis dan kelompok bakteri, mereka menginfeksi, namun, semua fag memiliki beberapa karakteristik atau sifat yang sama. Beberapa ciri atau sifat bakteriofag tersebut adalah:

• Seperti semua virus lainnya, bakteriofag juga sangat spesifik spesies terhadap sel hostnya. Bakteriofag hanya menginfeksi satu spesies bakteri atau bahkan strain bakteri tertentu dalam suatu spesies.

• Struktur dasar semua bakteriofag adalah sama. Mereka terdiri dari inti bahan nuklir yang dikelilingi oleh kapsid protein.

• Bakteriofag ada dalam tiga bentuk struktural dasar; kepala ikosahedral dengan ekor, kepala ikosahedral tanpa ekor, dan bentuk berserabut.

• Materi genetik atau materi inti bakteriofag dapat berupa DNA atau RNA, keduanya dapat berupa untai ganda atau untai tunggal.

• Bakteriofag adalah parasit intraseluler obligat yang tetap laten di luar sel host dan membutuhkan mesin seluler host untuk melakukan aktivitas metabolismenya.

• Seperti bakteri, bakteriofag juga diklasifikasikan ke dalam ordo dan famili yang berbeda tergantung pada morfologi dan materi genetiknya. Beberapa famili yang umum dipelajari termasuk Inoviridae, Tectiviridae, Microviridae, dan Rudiviridae.

Model atau Jenis Bakteriofag

1. λ fag

• Lambda phage atau coliphage adalah bakteriofag yang menginfeksi bakteri anggota spesies bakteri Escherichia coli (E. coli).

• Fag lambda awalnya ditemukan oleh Esther Lederberg pada tahun 1951 di AS selama studinya tentang E. coli di bawah iradiasi ultraviolet.

• Itu milik keluarga Siphoviridae dari ordo Caudovirales yang didefinisikan oleh kurangnya envelope, ekor non-kontraktil, dan molekul DNA untai ganda linier.

• Virus Lambda telah dipelajari untuk berbagai tujuan untuk memahami gaya hidup litik dan lisogenik dari berbagai virus dan juga sebagai virus model untuk studi virus.

• Virus memiliki siklus hidup sedang yang memungkinkannya masuk ke fase litik atau berada di dalam genom host melalui lisogeni.

• Struktur partikel fag terdiri dari kepala protein atau kapsid, ekor yang tidak berkontraksi, dan serat ekor. Genom virus ada di dalam kapsid virus.

• Ekor virus yang tidak berkontraksi menunjukkan bahwa virus tidak dapat memaksa masuk ke dalam membran sel bakteri dan harus bergantung pada jalur yang ada untuk menyerang sel host.

• Virus ini terdiri dari 12-14 jenis protein yang berbeda yang terdiri dari lebih dari 1000 molekul protein dan satu molekul DNA yang ada di kepala fag.

2. fag T4

• Virus T4 adalah bakteriofag yang menginfeksi anggota spesies bakteri Escherichia coli dan dengan demikian, juga dikenal sebagai virus Escherichia T4.

• Virus ini adalah salah satu dari tujuh Escherichia coliphages (nama T1-T7), yang ditemukan oleh Delbruck dan rekan kerja pada tahun 1944 sebagai model untuk mempelajari mekanisme yang berbeda dari komunitas fag.

• Bakteriofag T4 termasuk dalam ordo Caudovirales dari famili bakteriofag Myoviridae berdasarkan keberadaan kepala yang tidak berselubung dan ekor kontraktil.

• Struktur bakteriofag T4 terdiri dari kapsid protein yang disebut kepala yang terdiri dari molekul DNA untai ganda linier.

• Di ujung ekor terdapat ekor kontraktil sepanjang 925 Å dan diameter 520 Å yang melekat pada portal khusus di pangkal kepala.

• Ada enam serat ekor pendek yang muncul dari pelat dasar yang dapat mengenali molekul reseptor pada permukaan host.

• Bakteriofag virus T-even adalah salah satu kelompok bakteriofag yang paling umum dipelajari dan diteliti yang juga mirip satu sama lain dalam berbagai faktor.

• Ini juga merupakan salah satu kelompok virus bakteri terbesar dan paling rumit karena susunan genetiknya terdiri dari sekitar 300 gen yang berbeda.

Siklus Hidup Bakteriofag

Virus memasuki sel host untuk bereproduksi di mana virus menghasilkan berbagai bentuk infeksi ke sel host. Keseluruhan proses masuknya virus, replikasinya, dan keluar dari sel host terdiri dari siklus hidup virus. Bakteriofag, seperti semua virus lainnya, mengikuti lintasan yang sama di mana virus memasuki sel host bakteri untuk bereplikasi. Ada dua jenis siklus hidup yang berbeda dalam mekanisme replikasi DNA di mana, dalam satu, DNA virus dimasukkan ke dalam DNA host, tetapi di sisi lain, DNA bereplikasi secara terpisah dari DNA host. Siklus hidup ini mungkin terjadi secara independen atau alternatif dalam berbagai jenis bakteriofag.

1. Siklus Litik

• Siklus litik adalah salah satu dari dua siklus hidup bakteriofag di mana DNA virus tetap sebagai molekul free-floating dan bereplikasi secara terpisah dari DNA bakteri.

• Siklus litik biasanya terjadi pada fag virulen karena fag mengakibatkan penghancuran membran sel yang terinfeksi selama pelepasan partikel virus.

• Siklus litik adalah infeksi virulen karena mengakibatkan penghancuran sel.

a. Attachment dan Penetrasi

• Langkah pertama dalam siklus hidup bakteriofag adalah perlekatan, di mana ligan pada molekul tertentu pada permukaan partikel virus berikatan dengan molekul reseptor pada membran plasma sel host.

• Reseptor bergantung pada jenis virus karena kebanyakan orthomyxovirus menggunakan reseptor seperti asam sialat terminal pada rantai samping oligosakarida dari glikoprotein seluler.

• Ligan, bagaimanapun, adalah celah di ujung distal setiap monomer glikoprotein hemaglutinin virus trimerik.

• Meskipun ada tingkat spesifisitas yang tinggi antara reseptor dan ligan, sejumlah virus mungkin menggunakan reseptor yang sama.

• Selain itu, beberapa bakteriofag mungkin menggunakan glikoprotein membran lain sebagai reseptornya.

• Setelah menempel, virus menyuntikkan bahan nuklirnya ke dalam sitoplasma sel bakteri.

• Genom virus (baik DNA atau RNA) tetap berada di sitoplasma, dan dalam beberapa kasus menjadi melingkar dan menyerupai plasmid bakteri.

b. Biosintesis dan Transkripsi

• Begitu berada di sitoplasma, genom virus membajak mekanisme seluler host dan menggunakannya untuk menghasilkan lebih banyak virus.

• Dalam kasus virus DNA, DNA mengalami transkripsi untuk menghasilkan messenger RNA yang kemudian mengarahkan ribosom sel host.

• Dalam kasus siklus litik, mRNA mengkode berbagai polipeptida, yang pertama menghancurkan DNA host.

• Dalam kasus virus RNA, enzim yang disebut reverse transcriptase terlibat yang mentranskripsi RNA virus menjadi DNA.

• DNA kemudian ditranskripsi kembali ke mRNA, yang kemudian mengarahkan penghancuran DNA host.

• DNA virus kemudian mengambil kendali sel host dan menghasilkan protein berbeda yang diperlukan untuk perakitan virus baru.

• DNA virus juga mengalami replikasi untuk menghasilkan lebih banyak materi genetik untuk partikel virus baru.

• Proses biosintesis dan replikasi DNA dimediasi oleh gen dan enzim yang berbeda.

c. Perakitan dan Lisis

• Saat biosintesis dan replikasi berlanjut, sejumlah besar protein dan genom virus terbentuk.

• Setelah partikel virus yang cukup terbentuk dan matang, partikel-partikel ini di bawah perakitan di mana materi genetik virus dimasukkan ke dalam protein virus, kapsid.

• Bakteriofag yang baru dirakit melepaskan enzim, lisin, ke dalam sitoplasma. Enzim menyebabkan lisis dinding sel bakteri, menghasilkan pelepasan partikel fag yang baru terbentuk.

• Jadi, pada akhir siklus hidup litik, sel bakteri dan membran sel yang terinfeksi dihancurkan.

2. Siklus Lisogenik

• Lisogenik adalah salah satu dari dua siklus hidup bakteriofag yang ditentukan oleh penggabungan genom bakteriofag ke dalam genom host.

• Selama siklus hidup lisogenik, bakteri host terus hidup dan bereproduksi secara normal setelah replikasi bakteriofag.

• Materi genetik bakteriofag yang tergabung dalam DNA bakteri selama siklus hidup lisogenik disebut profag yang dapat ditransmisikan ke sel anak selama pembelahan sel bakteri.

• Siklus lisogenik adalah infeksi sedang dan non-virulen karena bakteriofag tidak membunuh sel host.

a. Attachment dan Penetrasi

• Langkah pertama dari siklus hidup lisogenik identik dengan langkah pertama dari siklus hidup litik.

• Ligan bakteriofag menempel pada reseptor pada permukaan dinding sel bakteri.

• Perlekatan sangat spesifik karena ditentukan oleh interaksi antara ligan dan reseptor yang ada pada permukaan dinding sel bakteri.

• Setelah perlekatan, genom virus disuntikkan ke dalam sitoplasma sel host.

• DNA virus atau profag infektif kemudian dimasukkan ke dalam kromosom host, yang mengubah profag infektif menjadi profag non-infektif.

b. Replikasi

• DNA virus kemudian menggunakan mesin host untuk bereplikasi karena terus bereplikasi dengan kromosom host selama pembelahan sel.

• Dalam beberapa kasus, profag mungkin dikeluarkan dari kromosom host, dan DNA virus mungkin memasuki siklus litik.

• Berbeda dengan siklus litik, mekanisme seluler bakteri tidak dibajak oleh partikel virus, dan tidak terjadi biosintesis protein virus.

• Profage, bagaimanapun, dapat ditransfer ke sel anak selama pembelahan sel bakteri.

• Proses replikasi berlanjut sampai ada beberapa stressor yang dapat berupa stressor fisik seperti radiasi UV, kondisi nutrisi rendah atau kimia, yang dapat mengakibatkan transisi dari siklus lisogenik ke siklus litik.

• Setelah diubah menjadi siklus litik, DNA virus mengalami transkripsi untuk menghasilkan protein virus. Protein dan genom virus kemudian dirakit untuk membentuk partikel virus lengkap yang kemudian dilepaskan dari sel host melalui lisis.

Siklus Litik vs Siklus Lisogenik (perbedaan utama)

Aplikasi Bakteriofag

Bakteriofag telah dianggap sebagai terapi antibakteri potensial untuk pengobatan berbagai penyakit bakteri menular pada manusia dan hewan. Pada awalnya, aplikasi klinis bakteriofag terbatas pada pengobatan infeksi usus akut dan infeksi kulit. Namun, kemudian, penerapan bakteriofag dalam praktik bedah untuk pengobatan komplikasi infeksi yang gatal dimulai. Berikut ini adalah beberapa aplikasi bakteriofag di berbagai area;

Pengobatan infeksi bakteri

• Dengan meningkatnya kasus resistensi bakteri terhadap berbagai antibiotik, potensi penggunaan bakteriofag pengobatan yang mungkin telah dieksplorasi.

• Karena bakteriofag hanya menginfeksi bakteri dan tidak berbahaya bagi manusia, pemberian bakteriofag tersebut ke manusia membantu dalam penghancuran bakteri menular tersebut.

• Selain itu, aplikasi bakteriofag pada luka bakar telah terbukti mengurangi kemungkinan infeksi dan sepsis dalam jumlah besar.

Dalam kebersihan dan keamanan makanan

• Bakteriofag digunakan untuk mengontrol dan menghilangkan kontaminan bakteri dari permukaan makanan dan pembusukan makanan.

• Bakteriofag sangat spesifik, yang membuatnya menarik untuk sanitasi makanan siap saji seperti susu, sayuran, dan produk daging.

• Banyak bakteriofag telah dikomersialkan untuk digunakan sebagai pembersih semprot untuk mendisinfeksi kulit sapi sebelum disembelih untuk mengurangi kontaminasi pada daging.

• Beberapa bakteriofag juga berguna sebagai dekontaminasi permukaan dan lingkungan karena dapat mendisinfeksi noda stainless seefisien senyawa amonium kuaterner.

Di bidang pertanian

• Beberapa bakteriofag yang khusus untuk bakteri tanaman juga telah menemukan aplikasinya di bidang pertanian.

• Fag ini digunakan untuk pengobatan dan pencegahan penyakit bakteri pada tanaman. Penggunaan bakteriofag sebagai pengganti antibiotik mencegah terjadinya penggumpalan antibiotik pada permukaan tanaman yang kemudian dapat membahayakan kesehatan konsumen.

Apa itu Phage Therapy?

• Terapi fag atau terapi virus adalah penggunaan bakteriofag untuk mengobati berbagai infeksi bakteri.

• Meskipun konsep menggunakan virus bakteri untuk mengobati infeksi bakteri baru-baru ini dianggap sebagai alternatif antibiotik, metode ini memiliki sejarah yang kontroversial dalam pengobatan barat.

• Namun, pengetahuan dan penerapan terapi fag saat ini telah berkembang jauh melampaui metode tradisional.

• Konsep terapi fag sebenarnya dimulai dengan penemuan pertama bakteriofag oleh Twort dan d'Herelie pada tahun 1917.

• Seiring waktu, penggunaan terapi fag telah dilanjutkan untuk berbagai patogen yang signifikan secara klinis berdasarkan penyelidikan terbaru menggunakan model hewan.

• Percobaan pada manusia untuk terapi fag dimulai hampir satu abad yang lalu, dan saat ini digunakan untuk pengobatan bakteri patogen umum seperti Staphylococcus aureus, Enterococcus, Proteus, dan Pseudomonas aeruginosa.

• Aplikasi efektif terapi fag berkisar dari pembedahan hingga perawatan gastroenterologis yang dapat bersifat terapeutik dan profilaksis.

• Meskipun belum ada produk terapi fag yang disetujui untuk penggunaan klinis pada manusia, sediaan fag komersial telah digunakan sebagai agen biokontrol dalam industri makanan.

• Persiapan ini digunakan untuk melawan patogen makanan umum seperti Salmonella, Campylobacter, dan Listeria monocytogenes.

• Terapi fag sering dibandingkan dengan antibiotik, dan telah dicatat bahwa terapi fag memiliki berbagai keunggulan dibandingkan antibiotik.

• Ada lebih sedikit atau tidak ada efek samping dari terapi fag, dan fag bahkan efektif melawan populasi bakteri yang ada dalam biofilm.

• Selain penggunaan fag terhadap infeksi bakteri, penggunaan enzim litik yang disandikan fag juga dilakukan.

• Enzim ini cenderung mirip dengan lisozim enzim eukariotik antimikroba yang menyebabkan lisis sel bakteri.

Prinsip Terapi Fag

Prinsip dasar penggunaan terapi fag sebagai kemungkinan metode pengobatan dan pencegahan infeksi bakteri adalah penggunaan bakteriofag untuk menghancurkan sel-sel bakteri yang terlibat dalam infeksi. Selain itu, ada berbagai enzim yang disandikan fag yang juga dapat diberikan untuk menyebabkan lisis sel bakteri. Prinsip terapi fag dapat dijelaskan dalam dua cara berbeda tergantung pada penggunaan fag (terapi aktif) atau enzim yang dikodekan fag.

1. Prinsip terapi fag aktif

• Penggunaan fag sebagai cara terapi dimulai dengan pemberian fag. Fag mencapai aliran darah (dari dosis oral) dalam waktu 2-4 jam, dan mereka ditemukan di organ dalam dalam waktu sekitar 10 jam.

• Aktivitas bakterisida fag adalah hasil dari replikasi virus melalui siklus litik di dalam sel host.

• Penelitian telah mengungkapkan bahwa tidak semua fag bereplikasi dengan cara yang sama, dan mungkin ada perbedaan besar dalam siklus litik dan lisogenik halaman.

• Lisis bakteri host melalui siklus litik adalah proses kompleks yang disebabkan oleh serangkaian peristiwa yang melibatkan beberapa gen struktural dan pengatur.

• Namun, untuk menentukan efisiensi agen, ada nilai yang berbeda yang harus dipahami.

a. Ambang kepadatan proliferasi

• Pertumbuhan populasi fag tergantung pada kepadatan bakteri.

• Peningkatan populasi fag dengan peningkatan populasi bakteri terjadi sampai pada suatu titik yang disebut ambang batas.

• Ambang batas menentukan apakah kemungkinan fag bebas dapat bertemu dan menginfeksi sel bakteri yang rentan melebihi kemungkinan fag hilang dari sistem.

• Oleh karena itu, keberhasilan terapi fase aktif tidak hanya tergantung pada jenis fag dan bakteri yang terlibat tetapi juga pada kepadatan bakteri setiap saat.

b. Waktu yang optimal

• Hal lain yang perlu diperhatikan dalam terapi fag aktif adalah waktu penggunaan fag agar aktif terhadap spesies bakteri.

• Inokulasi fag harus dilakukan pada waktu tertentu ketika kepadatan bakteri mencapai nilai tertentu yang berada dalam nilai ambang batas untuk fag.

• Waktu ini disebut waktu proliferasi, dan dengan demikian, inokulasi fag harus dilakukan pada titik yang dekat dengan waktu proliferasi.

2. Prinsip enzim yang disandikan fag

• Ada dua kelas utama lisin fag yang terlibat dalam lisis sel bakteri.

• Protein tersebut adalah protein holing transmembran dan hidrolase dinding sel peptidoglikan yang disebut endolisin. Protein ini bekerja sama dalam memicu lisis sel bakteri.

• Protein holin bertindak sebagai jam molekuler dalam siklus litik. Selama perakitan virus di sel bakteri, molekul enzim terakumulasi di membran sel.

• Saat siklus litik berlanjut, protein memicu pembukaan sisi sitoplasma membran sel, sehingga memungkinkan protein lisin untuk mengakses dan menghidrolisis dinding sel.

•  Protein ini cepat, kuat, dan tidak aktif terhadap sel eukariotik yang meningkatkan minat dalam penggunaannya sebagai agen terapeutik.

• Telah ditunjukkan bahwa penggunaan lisin fag dan antimikroba lebih efektif melawan berbagai bakteri daripada menggunakan antibiotik saja.

Terapi Fage vs Antibiotik (perbedaan utama)

Keuntungan dari Terapi Phage

• Bakteri yang terinfeksi oleh fag litik wajib tidak mampu mendapatkan kembali viabilitasnya.

• Populasi fag dapat meningkat sebagai respons terhadap peningkatan kepadatan bakteri hingga titik tertentu. Proses ini disebut auto-dosis.

• Bakteriofag secara inheren tidak beracun karena terdiri dari asam nukleat dan protein. Namun, dalam beberapa kasus, virus dapat berinteraksi dengan sistem kekebalan; dengan demikian, sebagian besar terapi fag menggunakan preparat fag yang sangat murni.

• Sebagai hasil dari spesifisitas host yang tinggi, bakteriofag hanya menginfeksi strain bakteri tertentu. Hal ini mengakibatkan minimal atau tidak ada gangguan pada flora normal.

• Kisaran host yang sempit dari sebagian besar fag membatasi jumlah jenis bakteri yang dapat mengakibatkan mekanisme resistensi fag.

• Mekanisme lisis bakteri oleh fag benar-benar berbeda dari antibiotik, yang memungkinkan penggunaan fag melawan infeksi yang resistan terhadap antibiotik.

• Fag baru yang aktif melawan banyak bakteri patogen dapat dengan mudah ditemukan dari limbah dan bahan limbah lainnya.

• Fag adalah agen serbaguna dan dengan demikian, dapat digunakan dalam kombinasi dengan antibiotik dan juga dapat diubah menjadi berbagai bentuk seperti cairan, krim, atau padatan.

• Fag mampu membersihkan biofilm dari beberapa bakteri fag sebagai hasil dari kemampuannya untuk secara aktif berpenetrasi ke dalam biofilm.

Keterbatasan Terapi Fag

• Tidak semua fag menghasilkan terapi yang baik, dan penggunaan fag sedang sebagai terapi bermasalah karena dapat mengakibatkan konversi bakteri yang peka terhadap fag menjadi bakteri yang tidak sensitif dan pengkodean virulensi bakteri.

• Karena fag sangat spesifik dan hanya menginfeksi beberapa strain bakteri, mereka memiliki kisaran host yang sempit. Akibatnya, fag yang berbeda diperlukan untuk infeksi bakteri yang berbeda.

• Karena fag adalah agen biologis hidup berbasis protein, ada kemungkinan interaksi antara fag dan sistem kekebalan pasien.

• Karena keragaman fag yang sangat besar, sulit untuk membuat koktail fag jika dibandingkan dengan merancang rejimen untuk terapi antibiotik kombinasi.

• Fag sering disalahartikan oleh masyarakat umum sebagai setara dengan virus yang menyebabkan penyakit manusia, yang membatasi penggunaannya.

Apa itu Phage typing?

• Typing fag adalah metode sidik jari agen penyebab penyakit untuk penyelidikan dan pengawasan epidermal.

• Typing fag adalah metode yang cepat, ekonomis, dan dapat direproduksi yang tidak memerlukan alat khusus untuk mendeteksi bakteri.

• Metode ini telah digunakan selama bertahun-tahun untuk menentukan hubungan antara spesies dan untuk mempelajari wabah.

• Prinsip typing fag didasarkan pada kultur bakteri yang diteliti sebagai inokulum rumput. Kultur tersebut kemudian diserang oleh fag yang berbeda. Tergantung pada spesifisitas antara fag dan strain bakteri, fag akan melisiskan koloni bakteri, yang kemudian dapat divisualisasikan atau diukur dengan metode yang berbeda.

• Metode typing  fag sangat penting untuk penentuan sumber infeksi, rute penularan, wabah, dan epidemi.

• Typing fag adalah metode universal untuk typing Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, dan Salmonella Typhi.

Keterbatasan atau Tantangan Bakteriofag

• Bakteriofag adalah partikel kecil yang sulit dipelajari tanpa mikroskop dan peralatan lain yang sesuai.

• Penggunaan bakteriofag terbatas karena persepsi bakteriofag sebagai virus manusia yang dapat mengakibatkan infeksi virus pada manusia.

• Informasi sebagian besar bakteriofag terbatas karena sulitnya metode isolasi dan identifikasi virus tersebut.