Batteriofagi: introduzione ai virus che infettano i batteri 

Con l’approcciarsi dell’era post-antibiotica, come battezzata dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), in cui i batteri rappresenteranno di nuovo un nemico difficile da curare, sta nuovamente crescendo l’interesse verso i batteriofagi.  

I batteriofagi sono infatti i “predatori naturali” dei batteri, e potrebbero costituire una promettente, anche se ancora controversa, alternativa terapeutica agli antibiotici inefficaci. Il loro utilizzo però non finisce qui: biosensori per l’identificazione rapida di batteri, inquinamento, conservazione del cibo. Conosciamo insieme in questo articolo introduttivo i batteriofagi. 

Che cosa sono i batteriofagi? 

Come abbiamo visto nell’articolo dedicato, i virus sono delle minuscole “macchine” biologiche programmate per infettare e sfruttare l’apparato di duplicazione genetica delle cellule per replicarsi. Senza le cellule, i virus non potrebbero sopravvivere. 

I batteriofagi sono virus specializzati nell’infettare i batteri

Conosciamo bene molti virus specializzati nell’infettare le cellule del corpo umano (cellule eucariotiche), come ad esempio i più familiari virus dell’influenza o dell’HIV, o i coronavirus. Ebbene, oltre ad essi esistono anche virus specializzati a infettare i batteri, chiamati i batteriofagi o semplicemente “fagi” (tradotto letteralmente “mangiatori di batteri”, dal greco “φαγεῖν” “phagein” – mangiare).

Dove si trovano i batteriofagi?

La presenza dei batteriofagi in natura è impressionante: sono onnipresenti negli ecosistemi terrestri, specialmente nei tappeti microbici superficiali dell’acqua di mare, nel terreno delle foreste, e nei terreni agricoli. I batteriofagi inoltre stabiliscono un primato anche in termini numerici; si stima infatti che siano la tipologia di microorganismi più abbondante in assoluto nella biosfera, con un numero stimato di 1031 fagi, più alto del numero di stelle nell’universo. 

Data la loro diffusione e l’interazione con i batteri, ai batteriofagi è stato riconosciuto un ruolo cardine nelle dinamiche di popolazione microbiche e nel modulare la diversità batterica influenzando l’evoluzione dei loro target.  

Storia dei batteriofagi

Anche se poco conosciuti dal grande pubblico, l’esistenza dei fagi è nota fin dalla seconda decade del ‘900. La loro scoperta è solitamente attribuita a due scienziati, il batteriologo inglese Frederick William Twort e il microbiologo franco-canadese Félix d’Herelle. Grazie allo studio dei batteriofagi si è compreso molto di quello che conosciamo dei virus oggi. 

La struttura dei batteriofagi 

Esistono miliardi e miliardi di batteriofagi in ogni ecosistema terrestre, per cui la loro classificazione, o tassonomia, può essere complessa. Semplificando, i batteriofagi possono essere classificati principalmente in base a due caratteristiche: 

• La loro struttura 
• La tipologia di acidi nucleici che contengono 

Classificazione strutturale dei batteriofagi

Dal punto di vista strutturale, la maggior parte dei fagi ricorda la forma di piccoli astronavi progettati per “atterrare” sulla superficie dei batteri per infettarli. 

Sono formati da: 

• Una testa proteica a forma icosaedrica (detta “capside”), che custodisce e protegge il materiale genetico; 
• Una coda di lunghezza variabile, costituita da un tubo cavo in cui passa il materiale genetico; 
• Delle fibre terminali associate alla coda, che ricordano delle zampe e che servono per riconoscere e ancorarsi alla superficie batterica.  

La coda, insieme alle fibre forma il cosiddetto “iniettosoma”, cioè l’apparato che dapprima “trivella” la superficie batterica, per poi iniettare all’interno del batterio il materiale genetico come una siringa.  

Classificazione dei fagi in base al tipo di acido nucleico

I batteriofagi possono contenere i due tipi acidi nucleici, DNA o RNA, sia a singolo che a doppio filamento. La dimensione del genoma fagico è anch’essa estremamente variabile. Di riflesso la dimensione dei batteriofagi può variare molto, andando da quelli più piccoli (20 nm) ai fagi più grandi come il T4, che misura 200 nm in lunghezza, raggiungendo un decimo della lunghezza di un batterio comune come Escherichia coli. 

Più del 95% dei batteriofagi conosciuti possiede questa “coda”: per questo motivo il loro ordine di appartenenza in natura è stato denominato “Caudovirales”, e contiene del DNA a doppio filamento come acido nucleico. 

Ospiti indesiderati: come i batteriofagi si replicano nei batteri

Ciascun tipo di batteriofago è specializzato nell’infettare solo un tipo o una famiglia di batteri. Questo tropismo, come in molti casi in biologia, è dettato dalla capacità del batteriofago di riconoscere solamente le strutture uniche del suo target batterico tramite, di solito, la punta della coda. Quando questa interazione è produttiva e corretta si innescano una serie di eventi che culminano nell’iniezione del genoma fagico all’interno del batterio “predato”. 

I fagi nei batteri: replicazione virale e ciclo “litico”

Dopo l’inserimento del genoma, e talvolta di proteine accessorie, il batterio può andare incontro a due destini. Nel primo caso il fago prende il controllo dei meccanismi di riproduzione del genoma batterico e lo trasforma in una fabbrica per fagi. Questo tipo di infezione solitamente termina con l’assemblaggio di tantissimi nuovi fagi all’interno del batterio e termina con la lisi dello stesso affinchè questi si liberino nell’ambiente e infettino altri batteri. Questo tipo di ciclo vitale è detto appunto “ciclo litico”. 

I fagi nei batteri: quiescenza e ciclo “lisogenico”

In alternativa, alcuni batteriofagi non uccidono subito batterio che infettano, ma mantengono uno stato quiescente temporaneo. Questi fagi inseriscono il genoma all’interno di quello batterico, in modo che si replichi con esso. Il fago quindi si diffonde nascosto nel genoma della progenie del batterio infettato, fino a che un evento scatenante non stimoli la produzione di fagi e la lisi finale dell’ospite. Questi fagi vengono definiti “temperati” e il ciclo viene detto “lisogenico”. 

Conclusioni: i batteriofagi come strumento di contenimento dei batteri

I batteriofagi sono strumenti biologici antichi, diffusi in ogni ecosistema terrestre, che consentono il contenimento delle varie specie batteriche. Il loro studio ci offre interessanti spunti per conoscere e continuare la lotta contro i batteri patogeni. 

Dott.ssa Elena Boero, Biologa

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 Fonti e note:

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