Bakteriofag M13 to modelowy bakteriofag filamentujący. Ma szerokie zastosowanie w biotechnologii, a szczególnie w technice phage display. W poniższym artykule zostanie opisana budowa jego genomu ze szczególnym zwróceniem uwagi na białka budujące kapsyd.

Ogólny opis bakteriofaga M13

Bakteriofag M13 należy do klasy Ff bakteriofagów filamentujących, do której należą też fagi f1 i fd [1]. Wygląd tych fagów jest zaprezentowany na Ryc.1. Kapsyd faga M13 ma długość 930 nm i średnicę 6,5 nm. Głównym białkiem jakie buduje kapsyd faga jest pVIII [2].

Cykl życiowy fagów filamentujących, zwany cyklem przewlekłej infekcji, wygląda nieco inaczej niż u fagów litycznych. Fagi te wykorzystują system sekrecyjny gospodarza, by uwolnić wiriony potomne i nie doprowadzają do jego lizy. Miano osiągane przez fagi filamentujące jest bardzo wysokie i w przypadku M13 podczas jednego cyklu plon fagowy może wynieść nawet 10^13.

Budowa genomu bakteriofaga M13

Bakteriofag M13 zawiera bardzo krótki genom, składający się z zaledwie 6407 par zasad (pz) zorganizowanych w kolistym jednoniciowym DNA (ssDNA) [4]. Zestaw genów faga M13 koduje 11 białek:

• Białka budujące kapsyd: pIII, pVI, pVII, pVIII i pIX.
• Białka odpowiadające za replikację DNA: pII, pV i pX.
• Białka odpowiadające za składanie faga: pI, pIV i pXI [3].

Ogólna budowa białek kapsydu bakteriofaga M13

Białka pVII i pIX

Białka pVII jest zbudowane z 32 aminokwasów, a białko pIX z 33 aminokwasów i są to dodatkowe białka kapsydu. Oba białka inicjują pakowanie genomu. Tworzą one kompleks jeszcze po cytyplazmatycznej stronie błony wewnętrznej bakterii i energię niezbędną dotego procesu dostarcza ATPaza 9 kodowana przez faga i wydostają się z błony wewnętrznej razem z białkiem pVIII, które ten kompleks otacza [5].

Białko pVIII

Głównym białkiem budującym kapsyd bakteiofaga M13 jest białko pVIII. Stonowi ono podstawowy element strukturalny i składa się z około 2700 kopii. Najpierw powstaje prekursor białka złożony z 73 aminokwasów, gdzie jego pierwsze 23 aminokwasy, znajdujące się na N-końcu białka to peptyd sygnałowy, który kieruje białko do błony komórkowej. Podczas pakowania genomu sekwencja sygnałowa odcinana jest przez pepydazę sygnałową i dojrzałe białko pVIII składające się z 50 aminokwasów uwalniane jest z błony, by móc rozpocząć montaż kapsydu faga [5].

Białka pIII i pVI

Kiedy pojawia się sygnał zakończenia pakowania genomu, to powstaje kompleks białek pIII i pVI dodawany na końcu faga. Białko dodatkowe pVI zbudowane jest z 112 aminokwasów. Białko dodatkowe pIII zawiera peptyd sygnały o długości 18 aminokwasów, który zostaje odcięty, gdy znajduje się w błonie wewnętrznej komórki gospodarza. Powstaje wtedy dojrzała forma białka o długości 406 reszt. Na dodatek pIII wiąże się z receptorem obecnym na pilusie F Escherichia coli [5].

Wykorzystanie bakteriofaga M13 w biotechnologii

To, co głównie kojarzy się z fagiem M13, to jego wykorzystanie w technologii phage display. Możliwość manipulacji w genomach fagów filamentujących i elastyczność w tym procederze jest niezwykłą cechą tych fagów. Prostota ich genomów oraz możliwość wstawienia przeróżnych sekwencji peptydów, czy fragmentów przeciwciał, które później będą prezentowane na powierzchni fagowa daje wiele możliwości w: rozwoju leków, szczepionek, terapii genowej, itp. Tak mały genom, a tak ogromne narzędzie.

Literatura

1. Khalil, A. S., Ferrer, J. M., Brau, R. R., Kottmann, S. T., Noren, C. J., Lang, M. J., & Belcher, A. M. (2007). Single M13 bacteriophage tethering and stretching. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(12), 4892-4897. DOI:10.1073/pnas.0605727104
2. Jaroszewicz, W., Morcinek-Orłowska, J., Pierzynowska, K., Gaffke, L., & Węgrzyn, G. (2022). Phage display and other peptide display technologies. FEMS microbiology reviews, 46(2), fuab052.DOI:10.1093/femsre/fuab052
3. Petrenko, V. A. (2008). Evolution of phage display: from bioactive peptides to bioselective nanomaterials. Expert opinion on drug delivery, 5(8), 825-836. DOI:10.1517/17425247.5.8.825
4. van Wezenbeek, P. M., Hulsebos, T. J., & Schoenmakers, J. G. (1980). Nucleotide sequence of the filamentous bacteriophage M13 DNA genome: comparison with phage fd. Gene, 11(1-2), 129-148. DOI:10.1016/0378-1119(80)90093-1
5. Jia, Q., & Xiang, Y. (2023). Cryo-EM structure of a bacteriophage M13 mini variant. nature communications, 14(1), 5421.DOI:10.1038/s41467-023-41151-7