Bacteriófago filamentoso

Los bacteriófagos filamentosos son una familia de virus ( Inoviridae ) que infectan bacterias o bacteriófagos . Reciben su nombre por su forma filamentosa, una cadena similar a un gusano (larga, delgada y flexible, que recuerda a un trozo de espagueti cocido), de unos 6  nm de diámetro y unos 1000-2000  nm de longitud. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Esta forma distintiva refleja su método de replicación : la cubierta del virión comprende cinco tipos de proteínas virales, que se encuentran en la membrana interna de la bacteria huésped durante el ensamblaje del fago, y estas proteínas se añaden al ADN del virión naciente a medida que se extruye a través de la membrana. La simplicidad de los fagos filamentosos los convierte en un organismo modelo atractivo para la investigación en biología molecular , y también han demostrado ser prometedores como herramientas en nanotecnología e inmunología .

Los bacteriófagos filamentosos se encuentran entre los virus más simples conocidos, con muchos menos genes que los bacteriófagos clásicos con cola estudiados por el grupo de fagos a mediados del siglo XX. La familia contiene 29 especies definidas, divididas en 23 géneros. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Sin embargo, la minería de conjuntos de datos genómicos y metagenómicos mediante un enfoque de aprendizaje automático condujo al descubrimiento de 10 295 secuencias similares a inovirus en casi todos los filos bacterianos en prácticamente todos los ecosistemas, lo que indica que este grupo de virus es mucho más diverso y extendido de lo que se creía inicialmente. ^{[ 5 ]}

Tres bacteriófagos filamentosos, fd, f1 y M13, fueron aislados y caracterizados por tres grupos de investigación diferentes a principios de la década de 1960, pero son tan similares que a veces se agrupan bajo el nombre común "Ff", que son miembros del género Inovirus , como lo reconoce el Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV). ^{[ 8 ] [ 9 ]} La estructura molecular de los fagos Ff se determinó utilizando una serie de técnicas físicas, especialmente difracción de rayos X de fibras , ^{[ 2 ] [ 6 ]} RMN de estado sólido y criomicroscopía electrónica . ^{[ 10 ]} Las estructuras de la cápside del fago y de algunas otras proteínas del fago están disponibles en el Protein Data Bank. ^{[ 6 ]} El ADN monocatenario del fago Ff recorre el núcleo central del fago y está protegido por una cubierta proteica cilíndrica formada por miles de subunidades idénticas de la proteína de la cubierta principal α-helicoidal codificadas por el gen 8 del fago. La proteína del gen 8 se inserta en la membrana plasmática como un paso inicial en el ensamblaje del fago. ^{[ 2 ]} Algunas cepas de fago tienen una "secuencia líder" en la proteína del gen 8 para promover la inserción en la membrana, pero otras no parecen necesitar la secuencia líder. Los dos extremos del fago están cubiertos por algunas copias de proteínas que son importantes para la infección de la bacteria huésped y también para el ensamblaje de las partículas de fago nacientes. Estas proteínas son productos de los genes 3 y 6 del fago en un extremo del fago, y de los genes 7 y 9 del fago en el otro extremo. Los estudios de difracción de fibras identificaron dos clases estructurales de fago, que difieren en los detalles de la disposición de la proteína del gen 8. La clase I presenta un eje de rotación que relaciona las proteínas de la cápside del gen 8, mientras que en la clase II este eje se reemplaza por un eje helicoidal. Esta diferencia técnica tiene un efecto poco perceptible en la estructura general del fago, pero la cantidad de datos de difracción independientes es mayor para la clase de simetría II que para la clase I. Esto facilitó la determinación de la estructura del fago Pf1 de clase II y, por extensión, la de la clase I. ^{[ 2 ] [ 6 ]}

La Clase Estructural I incluye las cepas fd, f1, M13 del género Inovirus , así como If1 (de la especie Infulavirus If1 del ICTV , género Infulavirus ) ^{[ 11 ]} e IKe (de la especie Lineavirus IKe del ICTV , género Lineavirus ) ^{[ 12 ]} , mientras que la Clase II incluye las cepas Pf1 (de la especie Primolicivirus Pf1 del ICTV, género Primolicivirus ) ^{[ 13 ]} , y quizás también Pf3 (de la especie Tertilicivirus Pf3 del ICTV, género Tertilicivirus ) ^{[ 14 ]} , Pf4 ^{[ 15 ]} y PH75 (de la especie propuesta por el NCBI, Thermus phage PH75, incertae sedis dentro de Inoviridae ) ^{[ 16 ]} .

El ADN aislado del fago fd (del género Inovirus ) es monocatenario y topológicamente circular. Es decir, la cadena simple de ADN se extiende de un extremo de la partícula del fago al otro y luego regresa para cerrar el círculo, aunque las dos cadenas no están apareadas. Se asumió que esta topología se extendía a todos los demás fagos filamentosos, pero no es el caso del fago Pf4, ^{[ 15 ]} para el cual el ADN del fago es monocatenario pero topológicamente lineal, no circular. ^{[ 10 ]} Durante el ensamblaje del fago fd, el ADN del fago se empaqueta primero en un complejo nucleoproteico intracelular lineal con muchas copias de la proteína de replicación/ensamblaje del gen 5 del fago. La proteína del gen 5 es luego desplazada por la proteína de la cápside del gen 8 a medida que el fago naciente se extruye a través de la membrana plasmática bacteriana sin matar al huésped bacteriano. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 2 ] [ 19 ]} Esta proteína también se une con alta afinidad a estructuras G-cuadruplex (aunque no están presentes en el ADN del fago) y a estructuras de horquilla similares en el ADN del fago. ^{[ 20 ]}

La proteína p1 del fago Ff (es decir,  del género Inovirus ), que es necesaria para el ensamblaje del fago en la membrana, tiene un dominio hidrofóbico transmembrana con la porción N-terminal en el citoplasma y la porción C-terminal en el periplasma (la orientación inversa a la de la proteína de la cápside del gen 8). Adyacente al lado citoplasmático del dominio transmembrana hay una secuencia de 13 residuos de p1 con un patrón de residuos básicos que coincide estrechamente con el patrón de residuos básicos cerca del extremo C de p8, pero invertido con respecto a la secuencia. Este mecanismo de ensamblaje hace de este fago un sistema valioso para estudiar las proteínas transmembrana . ^{[ 2 ] [ 21 ] [ 4 ]} El gen 1, que codifica una ATPasa, ^{[ 22 ]} es un gen marcador conservado que (junto con tres características genéticas adicionales) se utilizó para detectar automáticamente secuencias de inovirus. ^{[ 5 ]}

Se reconocen los siguientes géneros: ^{[ 25 ]}

La partícula filamentosa observada en las micrografías electrónicas se interpretó inicialmente de forma errónea como un pilus bacteriano contaminante , pero la degradación ultrasónica, que rompe los filamentos flexibles aproximadamente por la mitad, ^{[ 27 ]} inactivó la infectividad como se predijo para una morfología de bacteriófago filamentoso. ^{[ 28 ]} Tres bacteriófagos filamentosos, fd, f1 y M13, fueron aislados y caracterizados por tres grupos de investigación diferentes a principios de la década de 1960. Dado que estos tres fagos difieren en menos del 2 por ciento en sus secuencias de ADN, lo que corresponde a cambios en solo unas pocas docenas de codones en todo el genoma, para muchos propósitos pueden considerarse idénticos. ^{[ 29 ]} La caracterización independiente posterior durante el medio siglo siguiente estuvo marcada por los intereses de estos grupos de investigación y sus seguidores. ^{[ 2 ]}

Los fagos filamentosos, a diferencia de la mayoría de los demás fagos, se extruyen continuamente a través de la membrana bacteriana sin matar al huésped. ^{[ 19 ]} Los estudios genéticos sobre M13 utilizando mutantes letales condicionales, iniciados por David Pratt y sus colegas, llevaron a la descripción de las funciones de los genes del fago. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Cabe destacar que el producto proteico del gen 5, que es necesario para la síntesis del ADN monocatenario de la progenie, se produce en grandes cantidades en las bacterias infectadas, ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} y se une al ADN naciente para formar un complejo intracelular lineal. ^{[ 17 ]} (La numeración simple de los genes utilizando números arábigos 1,2,3,4... introducida por el grupo de Pratt a veces se reemplaza por la práctica de usar números romanos I, II, III, IV... pero los números de los genes definidos por los dos sistemas son los mismos).

Se puede incluir ADN más largo (o más corto) en el fago fd, ya que se pueden agregar más (o menos) subunidades proteicas durante el ensamblaje según sea necesario para proteger el ADN, lo que hace que el fago sea conveniente para estudios genéticos. ^{[ 35 ] [ 36 ]} La longitud del fago también se ve afectada por la carga positiva por unidad de longitud en la superficie interna de la cápside del fago. ^{[ 37 ]} El genoma de fd fue uno de los primeros genomas completos en ser secuenciado. ^{[ 38 ]}

La taxonomía de los bacteriófagos filamentosos fue definida por Andre Lwoff y Paul Tournier como familia Inophagoviridae, género I. inophagovirus, especie Inophagovirus bacterii (Inos = fibra o filamento en griego), con el fago fd (Hoffmann-Berling) como especie tipo. ^{[ 39 ] [ 40 ]} "Phagovirus" es tautológico , y el nombre de la familia fue alterado a Inoviridae y el género tipo a Inovirus . Esta nomenclatura persistió durante muchas décadas, ^{[ 9 ]} aunque la definición de fd como especie tipo fue reemplazada a medida que M13 se hizo más ampliamente utilizado para manipulación genética, ^{[ 41 ] [ 42 ]} y para estudios de p8 en entornos que imitan membranas. ^{[ 2 ]} El número de bacteriófagos filamentosos conocidos se ha multiplicado muchas veces mediante el uso de un enfoque de aprendizaje automático, y se ha sugerido que "la antigua familia Inoviridae debería reclasificarse como un orden, dividido provisionalmente en 6 familias candidatas y 212 subfamilias candidatas". ^{[ 5 ]} Los fagos fd, f1, M13 y otros fagos relacionados son fagos Ff , por fagos filamentosos específicos de F (infectan Escherichia coli portadora del episoma F ) , utilizando el concepto de nombre vernáculo. ^{[ 43 ]}

Los bacteriófagos filamentosos diseñados para mostrar péptidos inmunogénicos son útiles en inmunología y aplicaciones biológicas más amplias. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} George Smith y Greg Winter utilizaron f1 y fd para su trabajo sobre la presentación de fagos, por el cual recibieron una parte del Premio Nobel de Química de 2018. La creación y explotación de muchos derivados de M13 para una amplia gama de propósitos, especialmente en ciencia de materiales, ha sido empleada por Angela Belcher y colegas. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} Los bacteriófagos filamentosos pueden promover la tolerancia a los antibióticos al formar dominios cristalinos líquidos ^{[ 51 ]} alrededor de las células bacterianas. ^{[ 52 ] [ 10 ]}

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