Bacteriophage thường gọi tắt là phage được Twort phát hiện ở Tụ cầu năm 1915 và sau đó d’Herelle cũng phát hiện được ở vi khuẩn lỵ. Phage là virus có khả năng xâm nhiễm vi khuẩn. Mỗi vi khuẩn có thể là vật chủ của một hoặc nhiều phage. Phage được sử dụng để khảo sát sự liên hệ giữa ký sinh và vật chủ, sự nhân lên của virus, vận chuyển các yếu tố di truyền trong nghiên cứu sinh học phân tử.
Hình thái và cấu trúc của phage
Những phage được khảo sát nhiều nhất là những phage xâm nhiễm E.coli. Hình thái của những phage này dưới kính hiển vi điện tử trông giống như hình thái của tinh trùng gồm có đầu và đuôi.
Đầu có cấu trúc đối xứng hình khối, capsid hợp bởi nhiều capsomer kết hợp thành một cấu trúc hình lăng trụ, thông thường có thiết diện thẳng hình 6 cạnh. Bên trong đầu chứa axit nucleic. Phần lớn phage chứa ADN 2 sợi, cũng có phage chứa ADN 1 sợi. Những phage chứa ARN 1 sợi cũng được tìm thấy.
Đuôi có cấu trúc dạng hình xoắn. Ở phage T2 một đỉnh của đầu được kéo dài thành đuôi dài 95 nm. Nó hợp bởi 2 phần lồng vào nhau: ống bên trong cứng đường kính 8 nm thông với đầu, vỏ bên ngoài hình xoắn đường kính 20 nm co rút được theo chiều dọc như cái lò xo. Tận cùng là một tấm 6 góc ở mỗi góc có một sợi đính vào. Phần tận cùng của đuôi tạo nên một hệ thống của phage bám vào bề mặt vi khuẩn.
Mối quan hệ giữa phage và vi khuẩn túc chủ
Phage độc lực và phage ôn hòa
Lúc gặp vi khuẩn cảm thụ, phage hấp phụ lên bề mặt của vi khuẩn và axit nucleic được bơm vào bên trong. Axit nucleic cung cấp mã di truyền để tế bào vi khuẩn cho tổng hợp axit nucleic và các đơn vị protein capsid của phage. Các thành phần này tự lắp ráp để hình thành những phage con. Vi khuẩn bị ly giải và phage tự do được phóng thích. Đó là phage độc lực.
Nhiều phage được gọi là phage ôn hòa lúc xâm nhiễm vi khuẩn thì axit nucleic của phage tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Trong quá trình phân bào axit nucleic của phage được sao chép đồng thời với nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Ở dạng tích hợp axit nucleic của phage được gọi là prophage. Vi khuẩn chứa prophage ở nhiễm sắc thể gọi là vi khuẩn sinh tan. Sau một số lần phân bào prophage có thể tách rời khỏi nhiễm sắc thể và trở thành phage độc lực. Nó cho tổng hợp những phage con, làm tan vi khuẩn và phóng thích những phage độc lực.
Cũng có trường hợp vi khuẩn sinh tan mất prophage và trở thành vi khuẩn bình thường.
Hệ thống sinh tan
Những phage ôn hòa không ly giải vi khuẩn mà chúng nhiễm và hình như sao chép đồng thời với vi khuẩn trong nhiều thế hệ.
Ở vi khuẩn sinh tan axit nucleic của phage tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn và được gọi là prophage.
Hệ thống sinh tan có những đặc điểm sau :
Miễn dịch
Lúc một vi khuẩn mang một prophage nó trở nên miễn dịch với phage tương ứng. Phage có thể được hấp phụ nhưng rồi bị loại ra khỏi tế bào lúc phân bào. Những phage ôn hòa làm xuất hiện ở tế bào chất trấn áp ức chế sự nhân lên của phage và phong tỏa sự tách rời của phage.
Sự cảm ứng
Những vi khuẩn sinh tan có thể cảm ứng bằng nhiều cách khác nhau để phóng thích phage độc lực, ví dụ : dưới ảnh hưởng của tia cực tím phần lớn vi khuẩn sinh tan phóng thích phage. Cũng có một số trường hợp prophage tự động tách rời nhiễm sắc thể và trở thành phage sinh dưỡng.
Đột biến thành độc lực
Hậu quả của sự nhiễm phage ở một vi khuẩn hình như được xác định bởi sự cạnh tranh giữa sự sao chép của phage và sự tạo thành chất trấn áp. Nếu quá trình sao chép đã tiến xa trước khi xuất hiện chất trấn áp thì vi khuẩn bị ly giải. Nếu chất trấn áp xuất hiện sớm thì vi khuẩn sóng sót và trở nên sinh tan.
Phage ôn hòa cũng có thể đột biến thành phage độc lực. Hai type biến chủng được quan sát. Trong type thứ nhất sự đột biến làm cho phage đề kháng với chất trấn áp, trong type thứ 2 phage mất khả năng tạo thành chất trấn áp.
Phương pháp khảo sát phage
Vì cũng như tất cả virus phage chỉ nhân lên ở tế bào sống. Vì kích thước không cho phép quan sát trực tiếp nếu không có kính hiển vi điện tử nên cần thiết theo dõi hoạt động của chúng bằng phương tiện gián tiếp. Trong mục đích này người ta sử dụng sự kiện một hạt phage cho vào một lớp vi khuẩn đang phân chia ở trên thạch dinh dưỡng sẽ tạo nên một vùng phân giải sáng trên film mờ đục của vi khuẩn đang phát triển. Vùng phân giải này gọi là một “plaque”; nó được tạo thành do tế bào vi khuẩn bị nhiễm phage phân giải và phóng thích nhiều hạt phage mới, những phage này liền xâm nhiễm những tế bào vi khuẩn kế cận. Qua trình này tuần tự lặp lại cho đến khi sự phát triển của vi khuẩn ở trên dĩa thạch ngừng lại do hết thức ăn và tích tụ phẩm vật độc. Lúc thao tác khéo léo, mỗi hạt phage tạo nên một plaque. Mọi vật liệu chứa phage có thể định lượng như thế bằng cách pha loãng thích hợp và cho vào dĩa thạch dinh dưỡng mọc dày đặc vi khuẩn nhạy cảm. Đếm plaque cũng tương tự như đếm khuẩn lạc trong định lượng vi khuẩn.
Phân lập và tinh chế: Để khảo sát những tính chất vật lý và hóa học của phage cần phải điều chế một lượng đầy đủ virus tinh chế không chứa vật liệu tế bào. Trong mục đích đó môi trường lỏng nuôi cấy vi khuẩn vật chủ được tiếp chủng phage và ủ cho đến khi môi trường nuôi cấy hoàn toàn ly giải. Lúc này dịch thủy phân chỉ chứa hạt phage và mảnh vụn vi khuẩn, chúng được lấy riêng bằng li tâm phân biệt. Phần phage li tâm có thể làm dung dịch treo và rửa rồi khảo sát những tính chất vật lý và hóa học hoặc soi kính hiển vi điện tử.
Ứng dụng của bacteriophage
Ứng dụng trong nghiên cứu sinh học phân tử
Phage được dùng làm phương tiện vận chuyển gen trong nghiên cứu sinh học phân tử, rất nhiều phage được sử dụng để nghiên cứu di truyền vi khuẩn. Sự chuyển nạp là quá trình vận chuyển gen ở vi khuẩn qua trung gian của phage. Một vài chủng phage ví dụ phage P22 có thể vận chuyển bất cứ gen nào của vi khuẩn, đó là sự chuyển nạp tổng quát. Trong sự chuyển nạp đặc hiệu, một số phage đặc hiệu ví dụ phage l chỉ vận chuyển một số gen của vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận.
Ứng dụng trong chẩn đoán vi khuẩn và dịch tễ học
Phage được sử dụng để định type phage ở vi khuẩn. Mỗi loài vi khuẩn có thể gồm nhiều type phage khác nhau do bản chất của receptor ở vi khuẩn đối với các phage khác nhau. Người ta đã chọn một số bộ phage. Trong mỗi bộ phage, mỗi phage chỉ làm li giải một type phage của một loài vi khuẩn. Việc định type phage có giá trị về chẩn đoán vi khuẩn và nhất là về dịch tễ học.
Phage ôn hòa b có thể tích hợp vào nhiễm sắc thể vi khuẩn bạch hầu; chỉ ở trạng thái sinh tan vi khuẩn bạch hầu mới tạo thành độc tố.
Ứng dụng khác
Tuy có khả năng xâm nhiễm vi khuẩn, phage không được sử dụng để điều trị bệnh nhiễm trùng vì những thử nghiệm điều trị không đem lại kết quả.
