Bakteriofag (fag) adalah virus yang secara spesifik menginfeksi bakteri. Mereka adalah entitas biologis paling melimpah di Bumi, dengan perkiraan 10^31 partikel. Fag memainkan peran penting dalam ekologi bakteri, evolusi, dan memiliki aplikasi dalam kedokteran dan bioteknologi.

Struktur dan Klasifikasi Fag

Fag terdiri dari asam nukleat (DNA atau RNA, untai tunggal atau ganda) yang terbungkus dalam kapsid protein, dan banyak yang memiliki struktur ekor untuk pengenalan inang dan injeksi genom. Kelompok yang paling banyak dipelajari adalah Caudovirales (fag berekor), termasuk Myoviridae (ekor kontraktil panjang, misalnya T4), Siphoviridae (ekor non-kontraktil panjang, misalnya lambda), dan Podoviridae (ekor pendek, misalnya T7). Fag filamentosa (Inoviridae, misalnya M13) panjang dan tipis, tidak melisiskan inangnya, dan diekstrusi dari sel tanpa membunuhnya.

Siklus Litik

Siklus litik dimulai dengan adsorpsi, di mana serat ekor fag atau protein pengikat reseptor mengenali struktur permukaan bakteri spesifik (LPS, porin, pili, flagela). Injeksi genom mengikuti saat fag menembus amplop sel dan menyuntikkan asam nukleatnya ke dalam sitoplasma, dengan kapsid kosong tetap menempel secara eksternal. Selama replikasi dan perakitan, fag membajak mesin inang untuk replikasi, transkripsi, dan translasi; protein struktural merakit diri menjadi prokapsid, dan DNA genom dikemas oleh enzim terminase. Akhirnya, lisis terjadi ketika holin membuat pori-pori di membran dalam, memungkinkan endolisin mendegradasi peptidoglikan, menyebabkan lisis osmotik dan pelepasan virion progeny (biasanya 50-200 per sel).

Siklus Lisogenik

Fag temperat (misalnya lambda, P1) dapat mengintegrasikan genom mereka ke dalam kromosom bakteri sebagai profag atau bereplikasi sebagai plasmid. Profag direplikasi secara pasif dengan genom inang, dan lisogeni dipertahankan oleh protein represor (misalnya lambda CI) yang memblokir ekspresi gen litik. Induksi terjadi ketika kerusakan DNA (melalui respons SOS) memicu pemotongan yang dimediasi RecA pada represor, beralih ke siklus litik. Konversi lisogenik terjadi ketika profag membawa gen yang mengubah fenotipe bakteri (toksin, faktor virulensi), seperti toksin Shiga yang dikode fag pada E. coli O157:H7, toksin kolera pada Vibrio cholerae, dan toksin difteri pada Corynebacterium diphtheriae.

Terapi Fag

Terapi fag menggunakan fag litik untuk mengobati infeksi bakteri. Keuntungannya meliputi spesifisitas (tidak membahayakan mikrobiota komensal), amplifikasi diri di tempat infeksi, dan aktivitas melawan patogen resisten multibbat. Tantangannya meliputi kisaran inang yang sempit, resistensi bakteri terhadap fag, farmakokinetika (pembersihan imun), dan hambatan regulasi. Aplikasi yang berhasil meliputi pengobatan infeksi P. aeruginosa pada pasien fibrosis kistik, infeksi sendi prostetik S. aureus, dan koktail fag yang dipersonalisasi untuk penggunaan belas kasihan.

Aplikasi Bioteknologi

Phage display menggunakan fag filamentosa (M13) untuk menampilkan peptida asing yang digabungkan ke protein mantel, memungkinkan skrining pustaka antibodi dan evolusi protein. Fag typing menggunakan panel fag spesifik untuk mengidentifikasi strain bakteri berdasarkan pola kerentanan, digunakan dalam pengawasan epidemiologis. Alat diagnostik meliputi fag reporter yang direkayasa untuk mengekspresikan luciferase atau protein fluoresen, memungkinkan deteksi dan identifikasi bakteri yang cepat.