Antibiyotiğe dirençli bakterilerle mücadeledeki potansiyeli nedeniyle incelenen bir bakteriyofaj olan φX174, alternatif antibiyotiklerin geliştirilmesine yönelik yeni bilgiler sunuyor.
yaşında COVID-19kelime “virüs” bulaşma, hastalık ve hatta ölüm düşüncelerini uyandırır. Peki ya bilinen tüm antibiyotiklere dirençli ciddi bir bakteriyel enfeksiyonu tedavi edebilecek bir virüs (kendini her yarım saatte yüzlerce kez kopyalayabilen çok küçük bir virüs) olsaydı? Arthur ve Marian Hanisch Memorial Biyokimya Profesörü Bil Clemons’u φX174 adlı virüsü araştırmaya motive eden de bu umuttur.
φX174’ü Anlamak
φX174 bir bakteriyofaj veya daha basitçe bir fajdır: bakteri hücrelerini hedef alan bir virüs. İnsan açısından bakıldığında φX174 basit bir yaşam sürüyor: Konakçı bakteriyi buluyor, yüzeyine park ediyor, bir iplikçik enjekte ediyor. DNA Bakteri hücresine girer, DNA’sını tekrar tekrar çoğaltır, hücreyi viral proteinler yapmaya zorlar, DNA ve proteini yeni viryonlar (fajın kopyaları) halinde birleştirir ve ardından bakterinin hücre duvarını kırarak virionların bulaşacak başka konakçılar bulun.
Clemons ekibinin yakın zamanda dergide yayınlanan makalelerinde açıkladığı şey bu kaçış mekanizmasıdır. “φX174’ten faj kodlu protein antibiyotiğinin mekanizması.” Tek parçacıklı elektron kriyomikroskopisinden elde edilen görüntülere dayanarak, φX174’ün E proteininin, bakteriyel konağın proteinleri MraY ve SlyD ile birleşerek stabil bir kompleks (YES kompleksi) oluşturduğu ortaya çıktı. Bu, hücre liziziyle sonuçlanır: bakteri hücre duvarının kırılması ve bakterinin ölümü.
Faj Keşifinin Tarihsel Bağlamı
φX174 yaklaşık 100 yıldır bilim adamlarının radarındaydı. 20. yüzyılın başlarında fajların varlığı yalnızca teorize edilmişti. Bağımsız olarak çalışan İngiliz bakteriyolog Frederick Twort ve Quebecli bilim adamı Félix d’Herelle, laboratuvarlarındaki bakteri kültürlerinin davranışlarına dayanarak fajların varlığını öne sürdüler. Bazen bakterilerin Petri kaplarında çoğalması beklenirken, hiçbir bakterinin üremediği yerde parlak lekeler (plaklar) ortaya çıkıyordu. Bu örneklerin filtrelerden geçirilmesi, bakterileri yakalarken, aynı zamanda da minik görünmez katillerinin geçmesine izin verdi. Filtrelerden başarıyla geçen her ne ise mikroskopla görülemeyecek kadar küçüktü.
1917 yılında Paris’te çalışan D’Herelle, bu katillerin bakteri yiyen virüsler olması gerektiğini öne sürdü ve bu teoriyi test etmeye hazırdı. Şehir efsanesine göre, Clemons’un anlattığına göre, d’Herelle kanalizasyon suyunu defalarca filtreledi ve sonra tüketmenin güvenli olup olmadığını görmek için içti. Kendisinin zarar görmediğini hissetti ve aynı şekilde değişmeyen laboratuar asistanına bir yudum ikram etti. D’Herelle daha sonra filtrelenmiş kanalizasyon suyunu, ciddi dizanteri hastası ve ölümün eşiğinde olan genç bir çocuğa verdi. Büyük olasılıkla φX174’ü içeren bu faj kokteyli ile çocuk hızla sağlığına kavuştu.
Avrupa’nın dört bir yanından araştırmacılar d’Herelle ile çalışmak için Paris’e geldi. Böyle bir araştırmacı, Hırvat mikrobiyolog Vladimir Sertič, d’Herelle’in laboratuvarında on yıl çalıştı. Bilinen fajlar için bir sınıflandırma tasarlayanlar Sertič ve asistanı Nikolai Boulgakov’du. φX174’ün Sertiç’in sınıflandırma şemasına göre egzotik görünen adı basitçe “onuncu sıradaki 174. virüs” anlamına geliyor. [roman numeral X] φ sınıfından birden fazla bakteriyi hedef alan faj serisi: birden fazla bakteriye karşı etki eden fajlar. Faj terapisi bakteriyel hastalıkları iyileştirmeye devam etti, ancak aynı zamanda öldürdü; bunun nedeni muhtemelen araştırmacıların faj replikasyonunun toksik olabilecek bakteriyel kalıntılar gibi yan ürünlerini nasıl saflaştıracaklarını henüz bilmemeleriydi.
Faj Terapisinin ve Araştırmanın Evrimi
Faj araştırması ve terapisi, İkinci Dünya Savaşı’nın baskısı altında parçalandı. Batılı müttefikler için son derece etkili penisilinin üretimi faj tedavisini tamamen gölgede bıraktı ve bakteriyel enfeksiyonlar için tek çözüm haline geldi. Penisilin, Doğulu müttefikler veya Mihver güçleriyle paylaşılmayan askeri bir sırdı, bu nedenle Sovyet doktorları, eski Sovyetler Birliği ülkelerinde bugün de devam eden bir uygulama olan fajların tedavi amaçlı kullanımına devam etti.
Her ne kadar fajlar, İkinci Dünya Savaşı’ndan sonraki yıllarda Batılı ülkelerdeki tıbbi araştırmacıların gözünden düşmüş olsa da, araştırma bilimcileri onlara hayran kaldı. φX174, milyarlarca farklı faj türünden yalnızca biri olmasına rağmen, gelişen moleküler biyoloji alanı için yararlı bir deneysel araç olarak çizginin en önüne geçti.
1957’den 1977’ye kadar Caltech’te biyofizik profesörü olan Robert L. Sinsheimer, φX174’ün model organizma olarak geliştirilmesinde etkili oldu. Laboratuvarı φX174’ün genomunun haritasını çıkardı ve onun daha ilgi çekici özelliklerinin çoğunu keşfetti.
Savaştan önce Göttingen Üniversitesi’nde fizikçi olarak eğitim almış olan Delbrück, Caltech’te faj araştırmacılarından oluşan bir kadro kuruyor ve moleküler genetiğin gizemlerini araştırmak için virüsleri kullanıyordu. Sinsheimer, fajlarla nasıl çalışılacağını öğrenmek için 1953’teki altı aylık bir izin sırasında Caltech’e gelmeyi kendine misyon edindi. Bir gün Delbrück’ün ofisinde oturup virolojiye nasıl devam edileceğini tartışırken iki adam, viral yapıyı ve replikasyonu daha iyi anlamak için en küçük ve potansiyel olarak en basit fajlar üzerinde çalışmanın faydalı olabileceği sonucuna vardı. Sinsheimer faj adaylarını inceledi, φX174’te karar kıldı, İngiltere ve Fransa’daki laboratuvarlardan örnekler aldı ve çalışmaya başladı.
φX174’e dayanan bilimde bir dizi ilk başladı. 1966 tarihli bir makalesinde Sinsheimer, φX174’ten “multum in parvo” olarak bahsetti: Latince “az içinde çok” anlamına geliyor. 1950’ler ve 1960’lar boyunca φX174 araştırmacıları sürekli şaşırttı. 1959’da, Caltech’e katıldıktan iki yıl sonra Sinsheimer, φX174’ün replikasyonu başlatmak için konakçı hücreye enjekte ettiği tek bir DNA dizisine sahip olduğunu belirledi. DNA’nın çift sarmal bir yapıya sahip olduğunun yalnızca birkaç yıl önce keşfedildiği göz önüne alındığında bu bir sürprizdi. 1962’de Sinsheimer, φX174’ün DNA’sının dairesel bir halka şeklinde olduğunu öne sürdü; bu, moleküler biyologların henüz görselleştiremediği bir şeydi. 1977’de Cambridge Üniversitesi’nden Frederick Sanger, bir genomu tamamen dizileyen ilk kişi oldu ve ona 1980 Nobel Kimya Ödülü’nü kazandırdı. Bu genom φX174’e aitti. Fajın kendisi Sinsheimer’dan alındı.
1970’lerin sonlarına gelindiğinde, φX174’ün yaşam döngüsünün büyük bir kısmı iyi anlaşılmıştı, ancak belirsizlikler devam ediyordu. φX174’ün, tıpkı penisilin ve diğer farmasötik antibiyotiklerin yaptığı gibi, tüm bakterilerin hücre duvarındaki önemli bir koruyucu bariyer olan peptidoglikan katmanının sentezini bloke ederek bakteriyel konakçıdan ayrıldığı varsayılmıştır.
Çoğu faj için bilim insanları, şeker-amino asitleri parçalayan özel enzimler olan endolizinleri nasıl ürettiklerini öğrenmişti. asit Peptidoglikan katmanını oluşturan polimer. Ancak bu enzimler, φX174 gibi küçük bir fajın DNA’sında bulunamayacak kadar büyüktür.
φX174 Üzerine Modern Araştırma
Clemons, “φX174 genomu gerçekten küçük” diye açıklıyor. “Eğer lizozim gibi hücre lizizi sağlayan bir şeyi (gözyaşlarımızda ve tükürüğümüzde bulunan ve endolizinleri taklit ederek bakterilere karşı koruma sağlayan bir enzim) kodlayacak olsaydınız, φX174 genomunda başka proteinlere yer kalmazdı. φX174, karmaşık parçalama mekanizmasına sahip olamayacak kadar küçük olan bu virüs grubunun bir parçasıdır, dolayısıyla bu fajların, bakteri hücrelerini parçalamanın çok basit yollarını geliştirmesi gerekiyordu.”
Farklı fajlar ve antibiyotikler, sürecin çeşitli noktalarında peptidoglikan sentezine müdahale eder. φX174’ün E proteini, bir peptidoglikan öncülünün sentezini katalize eden bir membran enzimi olan MraY’yi hedefler. φX174’ün protein E’si, yıkıcı işini tamamlamak için başka bir protein olan SlyD’ye ihtiyaç duyar ve bunu bakteriyel konakçısından alır. Clemons, “Bu bir gizem” diyor, “çünkü SlyD’nin burada harekete geçmesi için hiçbir neden yok. Normalde MraY ile etkileşime girmez, tamamen farklı bir görevi vardır. Ancak bir şekilde bu süreç SlyD’yi gerektiriyor.”
Biri viral, ikisi konakçıdan gelen bu üç ajan, YES kompleksini oluşturur: Mraeprotein e, SLyD. Esasen, φX174’ün E proteini MraY ile birleşerek MraY’nin enzimatik aktivitesini inhibe eder. SlyD, MraY ile temas etmeden protein E ve MraY kompleksini bağlar ve stabilize eder.
Gelecekteki Antibiyotik Gelişimine Yönelik Çıkarımlar
Bu keşif, araştırmacıların bakteriyofajların antibiyotik tedavisi olarak ilk vaadini yerine getirmelerine yardımcı olmaya hazırlanıyor. Antibiyotikler geçtiğimiz yüzyılda sayısız hayat kurtardı, ancak yeni antibiyotik sınıflarının icadı, bakterilerin onlara karşı direnç geliştirme becerisine ayak uyduramadı. Bakteriler de fajlara direnmek için mutasyona uğrar, ancak yapılarını geliştirmek için yoğun insan çabası gerektiren farmasötik antibiyotiklerin aksine, fajların kendisi de yeni bakteriyel savunmalara karşı koyarak mutasyona uğrayabilir. Vücudumuzda muazzam sayıda, yüz trilyonlarca fajla yaşıyoruz. Clemons ve bu alandaki diğer araştırmacıların umudu, bakteriyel enfeksiyonlara karşı doğru fajların doğru zamanda bir araya getirilmesinin, antibiyotiğe dirençli bakterilerle karşı karşıya kaldığımızda giderek daha fazla ihtiyaç duyduğumuz yeni, daha dayanıklı bir antibiyotik yaratabileceğidir.
Referans: Anna K. Orta, Nadia Riera, Yancheng E. Li, Shiho Tanaka, Hyun Gi Yun, Lada Klaic ve William M. Clemons Jr. tarafından yazılan “ΦX174’ten faj kodlu protein antibiyotiğinin mekanizması”, 14 Temmuz 2023
“φX174’ten faj kodlu protein antibiyotiğinin mekanizması” kitabının ortak yazarları arasında Anna K. Orta, Nadia Riera, Evelyn Yancheng Li, Shiho Tanaka, Hyun Gi Yun ve Lada Klaic yer alıyor. Finansman, tarafından sağlandı Ulusal Sağlık Enstitüleri ve G. Harold ve Leila Y. Mathers Vakfı.
