Bakteriofagi, zwane również fagami, to wirusy, które mogą zabijać bakterie poprzez wyspecjalizowane mechanizmy działania. Chociaż ich skuteczność przynosi wiele korzyści w wybranych zastosowaniach, są badane np. jako nowoczesne środki terapeutyczne w medycynie, bakteriofagi stanowią też poważne zagrożenie.

W wielu sektorach przemysłowych, w tym w produkcji żywności fermentowanej, enzymów, farmaceutyków i kosmetyków, określone szczepy bakterii są niezbędne do wydajnej i powtarzalnej produkcji. W tych warunkach bakteriofagi mogą selektywnie infekować i eliminować szczepy produkcyjne, a to prowadzi do strat ekonomicznych. Fagi mogą również mieć niekorzystny wpływ na rolnictwo lub środowisko np. podczas oczyszczania ścieków, gdzie ich obecność może wpływać na populacje mikroorganizmów.

Ich selektywne unieszkodliwienie pozostaje poważnym wyzwaniem. Pomimo niewielkich rozmiarów bakteriofagi są bardzo trwałe i mogą łatwo rozprzestrzeniać się w środowiskach laboratoryjnych i przemysłowych. Mogą być wprowadzane przez zanieczyszczone surowce, nieodpowiednio zdezynfekowany sprzęt, powierzchnie, a nawet powietrze. Po pojawieniu się fagi mogą szybko rozprzestrzeniać się w hodowlach bakteryjnych, często pozostając niewykrytymi, aż do momentu uszkodzenia całej populacji bakterii.

Laboratoria i fabryki stosują rygorystyczne protokoły higieniczne obejmujące metody sterylizacji i dezynfekcji, takie jak promieniowanie UV-C, wysoka temperatura i ciśnienie, ozon oraz agresywne chemikalia, w tym nadtlenomonosiarczan potasu (Virkon), etanol, a nawet wybielacze i nadtlenek wodoru. Podejścia te mają zazwyczaj na celu uszkodzenie białek kapsydowych fagów lub kwasów nukleinowych, a tym samym unieszkodliwienie wirusa.

Bakteriofagi mogą się jednak agregować, zwiększając swoją odporność na trudne warunki środowiskowe, takie jak ekspozycja na ciepło lub chemikalia. Ponadto fagi są często bardziej odporne niż same bakterie. W rezultacie metody dezynfekcji wystarczająco silne, aby wyeliminować fagi. Ten brak selektywności stanowi istotne ograniczenie istniejących strategii zwalczania fagów i motywuje do poszukiwania bezpieczniejszych i skuteczniejszych rozwiązań.

Zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk proponuje rozwiązanie, które umożliwia selektywne zabijanie fagów bez szkodliwego wpływu na bakterie. Ich najnowsza praca, opublikowana w czasopiśmie „Materials & Design” https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115204, przedstawia innowacyjne podejście oparte na polimerowych nanosferach o powierzchni, która wchodzi w interakcję z bakteriofagami.

- Bakteriofagi posiadają charakterystyczne ładunki na powierzchni, które różnią się od ładunków komórek bakteryjnych i eukariotycznych. Naukowcy zaprojektowali nanocząstki polipirolowe (NP), które oddziałują bezpośrednio z ładunkami na powierzchni fagów poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Ponieważ błony biologiczne bakterii i komórek ludzkich mają inne właściwości powierzchniowe niż bakteriofagi, nie ulegają one wpływowi, a naładowane nanocząsteczki polipirolowe działają selektywnie na fagi - wyjaśnia w prasowym komunikacie IChF PAN.

- Niniejsze badanie pokazuje, że selektywną aktywność antyfagową można osiągnąć za pomocą nanocząstek polimerowych, które stanowią znacznie tańszą i skalowalną alternatywę dla innych rozwiązań nanostrukturalnych, takich jak systemy oparte na złocie – skomentował prof. Piyush Sindhu Sharma, cytowany przez IChF PAN.

Proponowane nanocząsteczki mają średnicę około 50 nm i zawierają na swojej powierzchni określone grupy funkcyjne, ujemnie naładowane grupy karboksylowe, które wzmacniają oddziaływania elektrostatyczne z bakteriofagami. Naukowcy kontrolowali gęstość tych grup podczas produkcji poprzez polimeryzację mieszanin pirolu z grupami karboksylowymi i bez nich. Zidentyfikowali oni optymalny skład powierzchni wymagany do skutecznej dezaktywacji fagów. Gdy zawartość jest zbyt mała lub zbyt wysoka, efekt może ulec pogorszeniu. Spośród wielu różnych stechiometrii między czystym pirolem a pirolem zmodyfikowanym grupami karboksylowymi, 1 proc. zawartość grup karboksylowych w uzyskanych nanocząstkach jest wystarczająca do dezaktywacji nawet 95 proc. fagów.

Wyniki badań pokazują, że proponowane nanocząstki skutecznie chronią bakterie przed fagami. Obecność grup karboksylowych w nanocząstkach w opisanej zawartości skutecznie zakłóca podstawowe funkcje fagów, takie jak rozpoznawanie i przyczepianie się do powierzchni. Nieodwracalna dezaktywacja fagów wraz z niewielką cytotoksycznością wskazuje ogromny potencjał proponowanych nanocząsteczek w zastosowaniach biotechnologicznych, przeciwbakteryjnych i medycznych.

Proponowane podejście różni się od powszechnie stosowanych metod stosowanych w przemyśle i laboratoriach, takich jak pasteryzacja lub dezynfekcja chemiczna przy użyciu wyżej wymienionych agresywnych związków. Proponowane nanocząstki mogą być stosowane na różnych etapach procesów przemysłowych bez konieczności ich wprowadzania bezpośrednio np. do fermentatorów, poprawiając ochronę w procesach biotechnologicznych.

- Połączyliśmy naszą wiedzę z różnych dziedzin, tworząc wysoce skuteczną i selektywną strategię, która upraszcza kontrolę fagów. Nasze cząstki minimalizują koszty i obawy dotyczące bezpieczeństwa oraz oferują praktyczne zastosowanie w bioprocesach wielkoskalowych, w których niekontrolowana obecność fagów jest szczególnie szkodliwa - podkreśliła Sada Raza, pierwsza autorka badania.

Badania sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach grantów OPUS i PRELUDIUM BIS.

Nauka w Polsce

ekr/ agt/