BAKTERIOFAGE

Bakteriofage

Virus yang menyerang bakteri diamati oleh Twort dan d'Herelle pada tahun 1915 dan 1917. Mereka mengamati bahwa bakteri usus tertentu dalam kultur cair dapat dibubarkan dengan penambahan filtrat bebas bakter yang diperoleh dari limbah. Lisis sel-sel bakteri dikatakan dibawa oleh virus yang dikatakan sebagai " filterable poison" ("virus" adalah bahasa Latin untuk "racun").

Istilah bakteriofage berasal dari kata “bacteria” yaitu bakteri dan "phagein" yang berarti "makan" atau "menggigit". Sebagian besar penelitian dilakukan pada fage yang menyerang E. coli, terutama fage-T dan fage lamda.

Seperti kebanyakan virus, bakteriofage biasanya hanya membawa informasi genetik yang diperlukan untuk replikasi asam nukleat dan sintesis protein mantel mereka. Ketika fage menginfeksi sel inang mereka, pekerjaan yang dilakukannya adalah untuk meniru asam nukleat dan untuk menghasilkan selubung protein pelindung mereka. Namun,  mereka tidak bisa melakukannya sendirian. Mereka membutuhkan prekursor, pembangkit energi dan ribosom yang dipasok oleh sel inang bakteri mereka.

Sel bakteri dapat mengalami salah satu dari dua jenis infeksi oleh virus, yaitu infeksi litik dan infeksi lisogenik. Pada E. coli, infeksi litik disebabkan oleh fage kelompok ketujuh yang dikenal sebagai fage- T, sementara infeksi lisogenik disebabkan oleh fage lamda.

Infeksi Litik

Fage-T, T1 melalui T7, disebut sebagai fage litik karena mereka selalu menyebabkan lisis dan kematian sel inang mereka, bakteri E. coli. Fage-T mengandung “double-stranded DNA” sebagai materi genetik mereka. Selain mantel protein atau kapsid (juga disebut sebagai "kepala"), T-fage juga memiliki ekor dan beberapa struktur terkait. Sebuah diagram dan mikrograf elektron bakteriofage T4 ditampilkan di bawah. Ekor mencakup inti, selubung ekor, pelat dasar, pin ekor, dan serat ekor, yang semuanya terdiri dari protein yang berbeda. Ekor dan struktur terkait bakteriofage umumnya terlibat dalam penempelan fage dan mengamankan masuknya asam nukleat virus ke dalam sel inang.

Gambar 1. Kiri. Mikrograf elektron bakteriofage T4. Kanan. Model fage T4. Fage ini memiliki genom “double-stranded DNA” linear yang terkandung dalam sebuah kepala icosahedral. Ekor terdiri dari “hollow core” di mana DNA disuntikkan ke dalam sel inang. Serat ekor berkaitan dengan reseptor spesifik pada permukaan sel bakteri inang.

Sebelum infeksi virus, sel terlibat dalam replikasi DNA sendiri dan transkripsi dan translasi informasi genetik sendiri untuk melakukan biosintesis, pertumbuhan dan pembelahan sel. Setelah infeksi, DNA virus mengambil alih mesin dari sel inang dan menggunakannya untuk menghasilkan asam nukleat dan protein yang dibutuhkan untuk produksi partikel virus baru. DNA virus menggantikan DNA sel inang sebagai cetakan untuk replikasi keduanya (untuk menghasilkan lebih banyak DNA virus) dan transkripsi (untuk menghasilkan mRNA virus). MRNA virus kemudian diterjemahkan menggunakan ribosom, tRNA dan asam amino sel inang menjadi protein virus (seperti protein mantel atau ekor). Proses replikasi DNA, sintesis protein, dan perakitan virus adalah peristiwa terkoordinasi. Proses keseluruhan dari infeksi litik yang digambarkan di gambar di bawah ini.

Gambar 2.Siklus Litik Bakteriofage T4.

Pembahasan langkah-langkah spesifiknya adalah sebagai berikut:

Langkah pertama dalam replikasi dari fage dalam sel inangnya disebut adsorpsi. Partikel fage mengenali situs kimia pelengkap pada permukaan bakteri, kemudian ekornya melekat ke situs tersebut.

Setelah adsorpsi, fage menyuntikkan DNA ke dalam sel bakteri. Proses ini disebut penetrasi dan mungkin terjadi secara mekanis dan juga enzimatis. Paket fage T4 terdapat sedikit lisozim di pangkal ekor dari infeksi sebelumnya dan kemudian menggunakan lisozim untuk merusak sebagian dari dinding sel bakteri untuk pemasangan inti ekor. DNA disuntikkan ke dalam periplasma bakteri, umumnya tidak diketahui bagaimana DNA menembus membran. Proses adsorpsi dan penetrasi diilustrasikan di bawah ini:

Gambar 3. Adsorpsi, penetrasi dan injeksi DNA bakteriofage T4 ke dalam sel E. coli. T4 menempel ke pori protein membran luar, ompC.

Segera setelah injeksi DNA virus ada suatu proses yang dimulai disebut sintesis protein awal. Hal ini mengacu pada transkripsi dan translasi dari bagian DNA fage untuk membuat satu set protein yang diperlukan untuk mereplikasi DNA fage. Di antara protein awal yang dihasilkan adalah enzim perbaikan untuk memperbaiki lubang di dinding sel bakteri, enzim DNAase yang mendegradasi DNA inang menjadi prekursor DNA fage. Kemudian, DNA polimerase virus akan menyalin dan mereplikasi DNA fage. Selama periode ini kemampuan sel inang menghasilkan energi dan sintesis protein dipertahankan, tetapi mereka telah ditumbangkan oleh virus. Hasilnya adalah sintesis dari beberapa salinan DNA fage.

Langkah berikutnya adalah sintesis protein bagian akhir (late protein). Setiap salinan yang direplikasi DNA fage sekarang dapat digunakan untuk transkripsi dan terjemahan set kedua protein disebut protein bagian akhir (late protein). Protein bagian akhir ini terutama protein struktural yang membentuk kapsomer- kapsomer dan berbagai komponen perakitan ekornya. Lisozim juga merupakan protein bagian akhir yang akan dikemas dalam ekor fage dan digunakan untuk keluar dari sel inang selama langkah terakhir dari proses replikasi.

Setelah semua bagian virus direplikasi, selanjutnya masuk ke proses perakitan. Protein yang membentuk kapsomer-kapsomer merakit diri menjadi kepala yang membungkus salinan DNA fage di dalamnya. Struktur ekor dan aksesori merakit dan memasukkan sedikit lisozim di bagian pelat ekor. Virus mengatur “pelarian” mereka dari sel tuan rumah selama proses perakitan.

Sementara virus perakitan berlangsung, enzim lisozim diproduksi sebagai protein virus yang terlambat. Bagian dari lisozim ini digunakan untuk melarikan diri dari sel inang dengan cara melisis peptidoglikan dinding sel dari dalam. Ini menyebabkan tejadinya lisis sel inang dan pelepasan virus yang telah matang/lengkap bagian-bagiannya, yang menyebar ke sel-sel terdekat, menginfeksi mereka, dan memulai siklus litik baru. Siklus kehidupan T-fage membutuhkan waktu sekitar 25-35 menit untuk menyelesaikannya. Karena sel inang pada akhirnya dibunuh oleh lisis, jenis infeksi virus ini disebut sebagai infeksi litik.

Infeksi Lisogenik

Infeksi Lisogenik  jarang menyebabkan lisis pada sel bakteri inang. virus lisogenik, seperti fage lamda yang menginfeksi E. coli, memiliki strategi yang berbeda dari virus litik untuk replikasi mereka. Setelah penetrasi, DNA virus terintegrasi ke dalam kromosom bakteri dan ikut direplikasi setiap kali DNA kromosom sel bakteri berduplikasi melalui pembelahan sel normal. Siklus hidup dari bakteriofage lisogenik digambarkan di bawah ini.

Gambar 4. Siklus lisogenik dari fage lamda

Virus lisogenik biasanya tidak membunuh sel bakteri yang mereka infeksi. Kromosom mereka menjadi terintegrasi ke dalam bagian tertentu dari kromosom sel inang. DNA fage yang sedang terintegrasi  seperti itu disebut profage dan bakteri inang dikatakan terlisogenik. Dalam keadaan profage semua gen fage ditekan, kecuali satu. Tak satu pun dari protein awal  atau protein struktural terbentuk.

Gen fage yang diekspresikan adalah gen yang penting karena mengkodekan untuk sintesis molekul represor yang mencegah terjadinya sintesis enzim fage dan protein yang dibutuhkan untuk siklus litik. Jika sintesis represor molekul berhenti atau jika represor menjadi tidak aktif, sebuah enzim yang dikodekan oleh profage melepas DNA virus dari kromosom bakteri. DNA virus yang keluar (genom fage) tersebut sekarang dapat berperilaku seperti virus litik, yaitu untuk menghasilkan partikel virus baru dan akhirnya terjadi lisis sel inang (seperti terlihat pada diagram di atas).

Pelepasan DNA fage dari DNA bakteri spontan merupakan peristiwa langka yang terjadi sekitar satu dalam 10.000 bakteri terlisogenik, tapi hal ini menjamin pembentukan fage-fage baru yang dapat dilanjutkan untuk menginfeksi sel lainnya.

Biasanya sulit untuk mengenali bakteri lisogenik karena sel bakteri terlisogenik dan bakteri normal tampak identik. Namun dalam beberapa situasi, profage bakteri lisogenik memperlihatkan karakteristik baru (fenotipe baru) yang tidak ditampilkan oleh sel normal. Fenomena ini disebut konversi lisogenik. Konversi lisogenik memiliki beberapa manifestasi menarik pada bakteri patogen dimana meraka hanya mengeluarkan penentu virulensi tertentu ketika mereka berada dalam keadaan terlisogenik. Oleh karena itu, Corynebacterium diphtheriae hanya dapat menghasilkan racun yang bertanggung jawab untuk penyakit jika membawa virus lisogenik yang disebut fage beta. Juga hanya Streptococci terlisogenik  menghasilkan toksin erythrogenic (eksotoksin pirogenik) yang menyebabkan ruam kulit pada demam berdarah. Beberapa racun Clostridium botulinum disintesis hanya pada strain terlisogeniknya.

Fenomena yang mirip dengan konversi lisogenik terjadi dalam hubungan antara virus tumor hewan dan sel inangnya. Dalam kedua kasus, DNA virus dimasukkan ke dalam genom sel inang dan ada perubahan pada fenotipe sel. Beberapa kanker manusia dapat disebabkan oleh virus yang melisogeni DNA sel manusia yang mekanismenya seperti lisogeni pada bakteri.Source: http://textbookofbacteriology.net/phage.html