Cosa sono i batteriofagi? Come impattano le comunità batteriche?

Che sono i batteriofagi? Che ruolo hanno nella biodiversità microbica?

Con il termine “batteriofago” (o “fago”), si intende un organismo endocellulare obbligato che infetta un procariote. Nello studio della biodiversità microbica in senso lato, le comunità fagiche (e virali in generale) sono tra le più numericamente rappresentate nelle varie nicchie ecologiche; si stima che il rapporto tra fagi e cellule batteriche sia di 10 a 1. Quindi, si può affermare che il loro ruolo nell’omeostasi di un ecosistema è di fondamentale importanza.

I batteriofagi sono entità estremamente piccole: la loro dimensione varia tra i 20 e i 200 nm. Essendo la biodiversità fagica molto vasta, esiste una grande “dark matter“; infatti, può esistere un tropismo d’infezione tra fago e batterio fino al livello di ceppo.

Struttura ed organizzazione dei batteriofagi

Avendo un genoma organizzato in moduli (Figura 1), che possono essere scambiati tra i vari fagi, il loro materiale genetico risulta estremamente variegato. A volte, a causa di fenomeni di “escissione imprecisa” durante l’induzione del ciclo litico, possono acquisire nuovi geni dal loro ospite batterico e veicolarli in successive infezioni, dando origine a fenomeni di trasferimento genico orizzontale (HGT), che aumentano la fitness ecologica del lisogeno (batterio infettato dal fago, il cui genoma virale si è integrato in quello dell’ospite e viene trasmesso alle generazioni successive).

Esempio di genoma fagico, in questo caso del modello λ. — *Figura 1 – Esempio di genoma fagico, in questo caso del modello λ*. *[Fonte: https://www.vialattea.net/]*

Come detto nelle righe precedenti, avendo il fago un genoma “plastico”, non ci sono orologi molecolari che possiamo prendere come riferimento per la loro classificazione tassonomica; quindi quando si viene a scoprire un nuovo virus, deve essere classificato in base a:

Struttura morfologica, come ad esempio le Siphoviridae (figura 2), che presentano una coda lunga e flessibile (es. fago lambda). Comprendiamo quindi che è necessario disporre fisicamente del fago, il che spesso si ottiene inducendo il ciclo litico nei batteri che presentano un profago, evidenziato con tecniche di shotgun metagenomics.
Genoma: DNA o RNA, a singolo o doppio filamento.
Ciclo vitale: Litico (distruggono il batterio) o lisogenico (rimangono integrati nel DNA batterico).

*Figura 2 – Struttura di un batteriofago.* *[Fonte: https://static.vecteezy.com/]*

Meccanismo d’infezione fagica

Se consideriamo un virus a DNA, una volta riconosciuto il proprio ospite batterico mediante recettori specifici superficiali (es. S-layer, zuccheri di capsula, ecc.), il virus inietta il proprio materiale genetico. A questo punto, il DNA fagico può seguire due strade:

Via lisogenica: Il DNA virale si integra nel genoma batterico senza essere immediatamente replicato. In questo caso, il fago può conferire vantaggi di fitness ecologica al batterio, ad esempio proteggendolo da infezioni da parte di altri virus. Tuttavia, in situazioni di stress per il batterio, il fago può escidersi, replicare il suo DNA e dare inizio al ciclo litico. Questo fenomeno di induzione può generare eventi di escissione imprecisa, alla base del trasferimento genico orizzontale (HGT).
Via litica: Il DNA virale viene immediatamente replicato e, dopo l’assemblaggio delle nuove particelle virali, il batterio viene lisato, liberando i nuovi fagi nell’ambiente

Ciclo litico e lisogenico dei batteriofagi a confronto — Figura 3 – *Ciclo litico e lisogenico a confronto*. *[Fonte: https://www.treccani.it/]*

I batteriofagi come regolatori di nicchie ecologiche

I fagi sono considerati regolatori naturali delle dinamiche complesse all’interno delle comunità batteriche. Ad esempio, sono responsabili dell’evoluzione longitudinale del microbiota intestinale nei mammiferi. È stato dimostrato che i bifidofagi (virus che infettano il genere Bifidobacterium), attraverso l’induzione del ciclo litico, modulano ed evolvono il microbiota intestinale nelle varie fasi della vita. Questo sottolinea l’importanza del viroma, che viene trasmesso verticalmente alla nascita tramite meccanismi coevolutivi tra ospite e microbiota.

Meccanismo “kill the winner”

Uno dei più famosi modelli che descrive la capacità dei fagi di agire all’interno di una nicchia ecologica per portare ad equilibrare il sistema è la teoria “kill the winner”. Questa teoria non si applica soltanto ai fagi ma più in generale all’ecologia, e afferma che un fago sia in grado di infettare e portare alla lisi solo cellule batteriche che prendono il sopravvento all’interno della nicchia ecologica; al termine dell’infezione fagica la situazione viene riportata all’equilibrio iniziale. Quindi i fagi sono in grado di mantenere l’eubiosi all’interno della nicchia ecologica, evitando i fenomeni di blooming (sovra crescita di una particolare specie nei confronti di altre).

Rapresentazione grafica della teoria "kill the winner" — *Figura 4 – Rappresentazione grafica della teoria “kill the winner”*. *[Fonte: https://www.frontiersin.org/journals/cellular-and-infection-microbiology/articles/10.3389/fcimb.2014.00039/full]*

Questo tipo di meccanismo, è il responsabile del mantenimento dello stato di sterilità della mucina compatta, cioè la parte più interna del rivestimento mucoso dell’epitelio intestinale.

Meccanismo “community shuffling”

Un altro meccanismo regolativo che influisce sull’eubiosi delle comunità microbiche che albergano sul corpo umano è il modello di “community shuffling”. Secondo questo modello, in presenza di uno stress all’interno della nicchia ecologica, alcuni batteri che presentano profagi integrati nel loro genoma possono subire un fenomeno di induzione, con conseguente lisi delle cellule batteriche.

In alcuni casi, la lisi cellulare che si verifica simultaneamente in più cellule può indurre una risposta immunitaria nell’ospite, esacerbando lo stress nella nicchia ecologica e causando un’ulteriore induzione.

Questo processo spesso provoca forti perturbazioni nell’equilibrio della nicchia ecologica, portando quindi a disbiosi. Infatti, diversi studi hanno evidenziato che l’escissione dei profagi in Lactobacillus nel microbiota vaginale, fenomeno che può contribuire allo sviluppo di vaginosi batterica, è correlata al fumo nelle donne.

Rapresentazione grafica della teoria "community shuffling" — Figura 5 – *Rappresentazione grafica della teoria “community shuffling”*. *[Fonte: https://www.frontiersin.org/journals/cellular-and-infection-microbiology/articles/10.3389/fcimb.2014.00039/full]*

Applicazione nell’suo dei batteriofagi

Dall’analisi del ruolo dei fagi nelle nicchie ecologiche, esposta nei paragrafi precedenti, possiamo dedurre che questi virus sono potenziali agenti terapeutici.

Già a partire dal secolo scorso iniziò a delinearsi l’idea di utilizzare i fagi come terapia medica, soprattutto nell’ex Unione Sovietica, grazie al microbiologo George Eliava. Fondamentale fu anche il contributo di Félix d’Hérelle, che nel 1930, in Georgia, fondò un istituto per lo studio dei batteriofagi.

L’avvento degli antibiotici negli anni ’40 ostacolò lo sviluppo di questa intuizione. Tuttavia, a partire dagli anni ’90, si è rinnovato l’interesse per l’utilizzo dei fagi come agenti terapeutici.

Ad oggi, diversi gruppi di ricerca si concentrano sulla phage therapy, che trova applicazioni sia in ambito medico sia nella lotta ai foodborne pathogens.

Il vantaggio della terapia fagica è che comporta pochi rischi, grazie al tropismo estremamente specifico che questi virus hanno per i loro ospiti procariotici. Si tratta quindi di una strategia aggiuntiva per combattere i microrganismi patogeni senza favorire il fenomeno dell’antibiotico-resistenza.

Tuttavia, una delle principali limitazioni di questa tecnica è la difficoltà di controllo, che rende complesso garantirne un’efficacia stabile e riproducibile, poiché molti dei meccanismi molecolari dell’infezione batterio-virus sono ancora sconosciuti.

Inoltre, come già accennato, la specificità dell’infezione batterio-virus richiede di individuare accuratamente il fago più adatto da utilizzare.

Alcuni esempi di “phage therapy”

L’applicazione dei fagi in terapia può rientrare in diversi ambiti. In questo paragrafo affronteremo il potenziale ruolo dei batteriofagi nell’arginare:

La SIBO (Small Intestinal Bacterial Overgrowth) è una condizione caratterizzata da una crescita eccessiva di batteri nell’intestino tenue, un’area dell’apparato digerente in cui normalmente la quantità di batteri dovrebbe essere relativamente bassa. Sfruttando il fenomeno “kill the winner”, è possibile adottare strategie di terapia fagica, a patto di conoscere il virus specifico per la specie batterica che ha preso il sopravvento.
Le foodborne diseases (malattie trasmesse dagli alimenti) sono infezioni o intossicazioni causate dal consumo di cibi o bevande contaminati da agenti patogeni, tossine o sostanze chimiche nocive. In questo caso, diversi studi riportati in letteratura hanno indagato l’uso dei fagi per contrastare il batterio patogeno Campylobacter jejuni nei broiler chickens d’allevamento, evitando quindi l’uso massivo di antibiotici.

Conclusioni

Arrivati alla fine di questa breve guida sul ruolo dei batteriofagi nelle varie nicchie ecologiche, possiamo concludere che queste entità biologiche agiscono come veri e propri “arbitri” nel mantenere l’omeostasi delle comunità batteriche, regolando la densità microbica, la fitness ecologica dei loro ospiti (in particolare nei batteri lisogeni) e, in generale, prevenendo il sopravvento di alcune specie a discapito di altre.

C’è ancora molto da scoprire e studiare sul mondo dei fagi e dei virus in generale, poiché sono organismi estremamente plastici e complessi da analizzare. Tuttavia, con l’avanzare delle tecniche di sequenziamento profondo, come lo shotgun metagenomics, le nostre conoscenze in materia diventeranno sempre più ampie, con importanti ricadute pratiche.

Fonti

Crediti immagini

Immagine in evidenza: https://www.focus.it/site_stored/imgs/0006/004/batteriofagi-contro-batteri.1020×680.jpg
Figura 1: https://www.vialattea.net/spaw/image/biologia/July2006/lambda_crom.JPG
Figura 2: https://static.vecteezy.com/ti/vettori-gratis/p1/46422676-batteriofago-struttura-microscopico-modello-di-virus-infettando-un-batterico-vettoriale.jpg
Figura 3: https://images.treccani.it/ext-tool/intra/thumbs_medium/f/f9/IMMAGINI_batteriofago.jpg
Figura 4 e 5: 10.3389/fcimb.2014.00039