باکتریوفاژها؛ عوامل کنترل بیولوژیکی و قاتلان میکروبی

1. مقدمه

باکتریوفاژها ویروس­هایی هستند که به طور خاص باکتری­ها را هدف قرار داده و آن­ها را آلوده می­کنند. در سال 1896، باکتریوفاژها در آبراه های هند، به ویژه در رودخانه های گانگا و یامونا یافت شدند. این باکتریوفاژها خواص ضد باکتریایی شگفت انگیزی در برابر وبا نشان دادند و می توانستند از فیلترهای چینی ظریف عبور کنند. علی رغم توصیف فعالیت های ضد باکتریایی این ماده میکروسکوپی، تنها در سال 1917، پس از جداسازی یک سویه شیگلا که میزبان یک انگل اجباری (باکتریوفاژ) بود که باکتری را به عنوان "باکتری خوار" هدف قرار می داد، باکتریوفاژ به طور رسمی شناخته شد. بلافاصله پس از این کشف، پتانسیل فاژها برای استفاده در درمان عفونت باکتریایی شناسایی شد و به طور موثر در سال 1919 برای هدف قرار دادن سالمونلا انتریکا سرووار گالیناروم در جوجه های آلوده مورد استفاده قرار گرفت. نتایج مثبت در درمان حیوانات باعث استفاده از فاژها در درمان عفونت های باکتریایی انسان شد. اسهال خونی باسیلی در پنج بیمار در سال 1921 به طور موثر با فاژی که شیگلا دیسانتری را آلوده می کند درمان شد. با این حال، به دلیل توسعه همزمان درمان آنتی بیوتیکی، علاقه به توسعه فاژها به عنوان گزینه هایی برای درمان عفونت باکتریایی متوقف شد.

باکتریوفاژها شامل یک پوشش پروتئینی هستند که مواد ژنتیکی آن ها را احاطه کرده است که می تواند DNA یا RNA باشد. آن ها باکتری ها را با اتصال به دیواره سلولی باکتری و تزریق مواد ژنتیکی آنها آلوده می کنند و در نهایت منجر به لیز و تخریب سلول باکتری می شوند. چرخه زندگی باکتریوفاژ شامل دو مسیر اصلی است: چرخه لیتیک، که در آن فاژ به سرعت تکثیر می‌شود و باعث ترکیدن سلول میزبان می‌شود، و چرخه لیزوژنیک، که در آن DNA فاژ در ژنوم میزبان ادغام می‌شود و به طور بالقوه برای دوره‌های طولانی غیرفعال می‌ماند. باکتریوفاژها تنوع قابل توجهی از خود نشان می دهند و بر اساس مواد ژنتیکی، پروتئین های ساختاری و ویژگی های چرخه زندگی به خانواده ها و جنس های مختلف طبقه بندی می شوند.

شکل1- چرخه زندگی باکتریوفاژها

امروزه کنترل زیستی باکتریوفاژها در حال پیشرفت به سمت پذیرش به عنوان یک فناوری جدید و سبز است که در نهایت می تواند جایگزین برخی از روش های استاندارد مداخله مانند ضد میکروبی های شیمیایی شود. بر خلاف مداخلات رایج ضد میکروبی شیمیایی مانند الکل ها، ترکیبات کلرید و بیسفنول ها، باکتریوفاژها موجودات طبیعی هستند که عمدتاً برای مصرف بی‌خطر هستند و می‌توانند به آسانی در چندین نقطه در فرآوری مواد غذایی بدون آسیب رساندن به کیفیت یا ایمنی محصول مورد استفاده قرار گیرند. آماده سازی باکتریوفاژ یا به عنوان mono-phage treatments یا  phage cocktails treatments متمایز می شود. تیمارهای تک فاژ از یک نوع فاژ منفرد تشکیل شده است و برای هدف قرار دادن یک پاتوژن شناخته شده منفرد موجود در محصول غذایی استفاده می شود. در حالی که آماده سازی کوکتل فاژ مخلوطی از انواع فاژهای متعدد است و می تواند برای درمان محصولات غذایی با پاتوژن هایی که به راحتی مقاومت ایجاد می کنند یا متنوع هستند، استفاده شود. کوکتل های فاژ در درجه اول به عنوان یک درمان پیشگیرانه طراحی شده اند که می تواند برای اطمینان از عدم توانایی پاتوژن های رایج در استعمار یک محصول غذایی مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی پذیرش درمان با فاژ از زمانی که FDA به ListShieldTM یک کوکتل فاژ مخصوص لیستریا مونوسیتوژنز که در سال 2006 به عنوان یک افزودنی غذایی مورد استفاده قرار گرفت، مجوز داد، به طور مداوم افزایش یافته است.

2. ساختار باکتریوفاژها

از نظر مورفولوژیکی، باکتریوفاژها دارای یک سر شش ضلعی، گردن کوتاه و دم لوله ای شکل هستند. سر از DNA دو رشته ای محکم تشکیل شده است که توسط کپسید پوشش پروتئینی احاطه شده است. دم شامل یک لوله توخالی داخلی است که توسط یک غلاف انقباضی احاطه شده است.

شکل2- ساختار باکتریوفاژها

3. چگونه باکتریوفاژها باکتری ها را از بین می برند؟

1)اتصال و تزریق: باکتریوفاژها گیرنده های خاصی ( لیپوپلی ساکارید‌ها، اسید‌های تیکوئیک، پروتئین‌ها و تاژک) را در سطح سلول باکتری تشخیص داده و به آنها متصل می شوند. این اتصال بسیار اختصاصی است و فاژها معمولاً گونه‌ها یا سویه‌های باکتریایی خاصی را هدف قرار می‌دهند. پس از اتصال، فاژ مواد ژنتیکی خود را به سلول میزبان تزریق می کنند. پوشش پروتئینی فاژ (کپسید) خارج از سلول باکتری باقی می ماند.

2) تکثیر و مونتاژ: اجزای سلولی باکتری، از جمله آنزیم ها و ریبوزوم ها، برای تکثیر و رونویسی مواد ژنتیکی فاژ هدایت می شوند. سلول باکتری بر اساس دستورالعمل های ارائه شده توسط ماده ژنتیکی فاژ شروع به سنتز پروتئین های ویروسی می کند.  این پروتئین ها شامل اجزای مورد نیاز برای جمع آوری ذرات فاژ جدید هستند.اجزای فاژی که به تازگی سنتز شده اند، از جمله مواد ژنتیکی و پروتئین ها، برای تشکیل ذرات فاژ کامل جمع می شوند. این تجمع اغلب در سیتوپلاسم سلول باکتری رخ می دهد.

3) لیز سلولی و آزاد سازی فاژهای متعدد:  آنزیم های تولید شده توسط فاژ دیواره سلولی باکتری را ضعیف می کند. با جمع شدن بیشتر و بیشتر ذرات فاژ، سلول باکتری با این ذرات پر می شود. در نهایت، سلول باکتری لیز می شود (باز می شود) و فاژهای متعددی را در محیط اطراف آزاد می کند تا باکتری های دیگر را آلوده کنند.

4. کاربردهای باکتریوفاژها در کشاورزی و صنایع غذایی

بخشی جدایی ناپذیر از زندگی انسان مصرف محصولات غذایی است. در حالی که مصرف غذا ضروری است، اما مسیری را برای عفونت ناشی از پاتوژن های غذایی مانند سالمونلا، اشرشیاکلی (E. coli)، کمپیلوباکتر و گونه های کلستریدیوم فراهم می کند. حتی با وجود فناوری پیشرفته، کنترل کیفیت کامل، و روش‌های ضدعفونی پیشرفته، این پاتوژن‌ها در محیط باقی می‌مانند. ماهیت در حال تکامل تولید مواد غذایی، به دلیل تقاضای مصرف کننده و ملاحظات اقتصادی، چالش هایی را در حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی ایجاد می کند. بسته به محصول غذایی، روش های رایج ضد میکروبی در تولید، بهداشت خوب و عوامل ضد میکروبی مختلف است. باکتریوفاژها به عنوان عوامل کنترل زیستی قابل استفاده در صنایع غذایی در نظر گرفته می شوند. آنها می توانند در کاربردهای مختلفی مانند تشخیص پاتوژن و حفظ زیستی مورد استفاده قرار گیرند. پتانسیل آنها برای بهبود کیفیت غذا و جلوگیری از بیماری های ناشی از غذا بسیار گسترده است. از این ویروس های باکتریایی می توان در نگهداری محصولات غذایی مختلف نیز استفاده کرد در حالی که بر میکروبیوتای طبیعی محصولات غذایی یا انسان‌هایی که آنها را مصرف می‌کنند تأثیری نمی‌گذارند. در حالی که فاژها یکی از فراوان ترین موجودات روی زمین هستند، مهم است که تشخیص دهیم کدام فاژها برای استفاده در میکروبیولوژی مواد غذایی مناسب هستند. گسترده ترین روش طبقه بندی فاژها بر اساس سبک زندگی آنها است که می تواند لیتیک یا لیزوژنیک باشد. فاژهای لیتیک برای کشتن باکتری ها از طریق لیزها عمل می کنند در حالی که فاژهای لیزوژنیک به باکتری ها اجازه می دهند در هنگام آلوده شدن به ویروس باقی بمانند. از نظر درمانی و میکروبیولوژی غذایی، به دلیل ماندگاری باکتری، استفاده از فاژهای لیزوژنیک برای کنترل باکتری ها توصیه نمی شود. فاژهای لیتیک برای درمان باکتری ها ترجیح داده می شوند زیرا اجازه نمی دهند باکتری ها باقی بمانند که هدف مورد نظر در میکروبیولوژی مواد غذایی است. به نظر می‌رسد که اولین مطالعه روی فاژهایی که مستقیماً به گوشت اضافه می‌شود برای کنترل باکتری‌های فساد گوشت، مربوط به گریر بود. قبلاً از گوشت گاو فاسد جدا شده بود و از یک فاژ همولوگ استفاده شد. چهار روز پس از افزودن فاژ به استیک‌ها (در دمای 7 درجه سانتی‌گراد) طول عمر استیک مورد نظرافزایش یافت. به طور کلی، تغییر رنگ سطح و پذیرش خرده فروشی توسط تیمارهای فاژ بهبود یافت. همچنین باکتریوفاژها در کشاورزی نیز کاربردهای مهمی دارند. درواقع محصولات مبتنی بر فاژ را می توان برای کنترل پاتوژن های گیاهی و آفات کشاورزی، کاهش وابستگی به آفت کش های شیمیایی و ترویج شیوه های کشاورزی پایدار توسعه داد. همچنین استفاده از باکتریوفاژها در مدیریت خاک می تواند به کاهش تأثیر پاتوژن های موجود در خاک کمک کند و سلامت و بهره وری کلی خاک را افزایش دهد.

5. کاربرد باکتریوفاژها در پزشکی

گزارش جهانی مقاومت آنتی‌بیوتیکی توسط سازمان بهداشت جهانی، بار مقاومت ضد میکروبی و خطر ظهور دوران پس از آنتی‌بیوتیک را نشان می‌دهد، جایی که گزینه‌های درمانی دیگر برای بیماری‌های قابل درمان قبلی وجود نخواهد داشت. جست‌وجوی راه‌های جایگزین برای مبارزه با پاتوژن‌های مقاوم به چند دارو علاقه به استفاده از باکتریوفاژها برای درمان عفونت‌های باکتریایی را برانگیخته است. توانایی منحصر به فرد باکتریوفاژها برای آلوده کردن و کشتن باکتری ها بدون تأثیر بر سلول های پستانداران، آنها را به عنوان یک عامل کنترل کننده زیستی در برابر پاتوژن های باکتریایی تبدیل می کند. فاژ درمانی در هر دو مدل حیوانی و انسانی نتایج امیدوارکننده ای را نشان داده است. مهم ترین کاربرد باکتریوفاژها در پزشکی به شرح زیر می باشد:

1. فاژ تراپی (Phage Therapy): باکتریوفاژها پتانسیل را به عنوان یک گزینه درمانی شخصی و هدفمند برای مبارزه با عفونت های باکتریایی، به ویژه در موارد عفونت های مقاوم به آنتی بیوتیک نشان می دهند.

2. اختلال در بیوفیلم (Biofilm Disruption): فاژها توانایی نفوذ و اختلال در بیوفیلم های باکتریایی را دارند که به عفونت های مزمن و مقاومت درمانی کمک می کنند.

3. ابزارهای تشخیصی (Diagnostic Tools): باکتریوفاژها را می توان در توسعه روش های تشخیصی سریع برای شناسایی پاتوژن های باکتریایی خاص، کمک به تشخیص به موقع و دقیق بیماری استفاده کرد.

6. مزایای استفاده از باکتریوفاژها به عنوان عوامل کشنده میکروبی

1) اختصاصیت: باکتریوفاژها می توانند به طور خاص باکتری های بیماری زا را هدف قرار دهند در حالی که میکروبیوتای مفید را بدون آسیب باقی می گذارند و اختلالات اکولوژیکی را کاهش می دهند.

2) تطبیق پذیری: باکتریوفاژها می توانند به سرعت برای غلبه بر مقاومت باکتریایی تکامل یافته و راه حل های پویا و سازگار برای چالش های کنترل میکروبی ارائه دهند.

3) کاهش مصرف آنتی بیوتیک: استفاده از باکتریوفاژها به عنوان جایگزینی برای آنتی بیوتیک ها می تواند به کاهش مقاومت آنتی بیوتیکی کمک کند و اثربخشی درمان های آنتی بیوتیکی را حفظ کند.

4) تنوع بالا: طیف گسترده ای از فاژها وجود دارد که گزینه هایی را برای گونه ها و گونه های خاص باکتری ارائه می دهد.

5) خود بازسازی: فاژها می توانند در میزبان باکتریایی تکثیر شوند و نیاز به کاربرد مداوم را کاهش دهند.

6) به طور طبیعی فراوان: باکتریوفاژها فراوان ترین موجودات موجود در بیوسفر هستند. این فراوانی آنها را به راحتی برای جداسازی و استفاده در دسترس قرار می دهد.

7) برنامه همه کاره: توانایی اصلاح ژنتیکی و شیمیایی فاژها همراه با انعطاف‌پذیری ساختاری، ظرفیت حمل بار، سهولت تکثیر و ویژگی‌های عموماً ایمن، راه‌های بالقوه مختلفی را برای کاربرد فراهم می‌کند.

7. چالش ها و محدودیت های استفاده از باکتریوفاژها

باکتریوفاژها در کنار نقاط قوت و مزیت های خود محدودیت هایی نیز دارند:

1) سطوح پایین باکتری هدف: باکتریوفاژها در از بین بردن سطوح بسیار پایین باکتری های هدف خود کارآمد نیستند. اگر باکتری های هدف خیلی پراکنده و زیر آستانه تکثیر باشند، اثر باکتریوفاژهای تجویز شده محدود خواهد شد و حذف کامل باکتری‌های هدف توسط باکتریوفاژهایی که به صورت مجزا عمل می‌کنند بعید است.

2) مقاومت باکتریایی: توانایی باکتری ها برای ایجاد مقاومت در برابر باکتریوفاژها در تحقیقات پیشین توضیح داده شده است. با این حال، توانایی فاژها برای تکامل همزمان با گونه های باکتریایی امکان حفظ اثربخشی را فراهم می کند. این تکامل مشترک با فراوانی فاژهای موجود، مقاومت را به یک نگرانی حداقلی تبدیل می کند.

3) ایمنی زایی: باکتریوفاژها آنتی‌ژن‌های غیرخودی هستند که توسط سیستم ایمنی قابل شناسایی هستند. اثربخشی فاژها به شدت به سویه فاژ و مسیر تجویز بستگی دارد. در برخی موارد، سیستم ایمنی به طور فعال باکتریوفاژها را شناسایی و از بین می برد.

8. تحقیقات فعلی و چشم اندازهای آینده

1) پیشرفت های پژوهشی: تحقیقات در حال انجام بر درک تعاملات فاژ-میزبان، تکامل فاژ، و توسعه محصولات جدید مبتنی بر فاژ با کارایی و پروفایل های ایمنی افزایش یافته متمرکز است.

2) چشم اندازها و نوآوری ها: پیشرفت‌های آینده ممکن است شامل مهندسی فاژهای مصنوعی و ادغام فاژ درمانی در شیوه‌های اصلی پزشکی باشد.

3) تنوع برنامه: انتظار می‌رود فناوری‌های مبتنی بر فاژ در زمینه‌های مختلف، از جمله کشاورزی، مدیریت محیط‌زیست، و پزشکی شخصی‌سازی شده، کاربرد پیدا کنند که منجر به راه‌حل‌های نوآورانه برای کنترل میکروبی می‌شود.

9. نتیجه گیری

در نتیجه، باکتریوفاژها دارای پتانسیل فوق­العاده ای به عنوان ابزار قدرتمندی برای کنترل بیولوژیکی و کشتار میکروبی هستند. ویژگی، سازگاری و کاربردهای متنوع آن ها در کشاورزی، صنایع غذایی، پزشکی و مدیریت زیست محیطی بر اهمیت آن ها در پرداختن به چالش های فعلی و آینده مرتبط با باکتری های بیماری زا تاکید دارد. در حالی که با موانع نظارتی و فنی روبرو هستیم، تحقیقات و نوآوری های در حال انجام آماده توسعه راه حل های موثر مبتنی بر فاژ برای طیف گسترده ای از نیازهای کنترل میکروبی هستند.