Struktur tubuh Bakteriofag dan fungsinya

Virus yang menyerang sel-sel bakteri yang dikenal sebagai bakteriofag. Banyak hasil yang diperoleh dari mempelajari bakteriofag memiliki implikasi universal. Misalnya, sifat fisik DNA dan RNA yang sangat identik dalam semua organisme, dan ini mungkin yang paling mudah untuk belajar dalam sistem bakteriofag. Bakteriofag, atau fag untuk pendeknya, adalah virus yang parasit pada bakteri. Virus adalah kelompok tambahan biasanya beragam partikel ultra mikroskopik, berbeda dari semua organisme lain karena organisasi non seluler mereka.

Terdiri dari cangkang lembam protein dibagian luar, atau kapsid, dan inti dari asam nukleat-baik asam deoksiribonukleat (DNA) atau asam ribonukleat (RNA) tetapi tidak pernah keduanya-virus adalah parasit obligat intraseluler, tergantung untuk sebagian besar pada fungsi sel inang untuk produksi partikel virus baru.

• Kepala berbentuk segi delapan yang di dalamnya mengandung inti. Dari kepala muncul selubung memanjang (tubus) yang disebut ekor. 
• Ekor berfungsi sebagai alat penginfeksi. Pada bagian ujung ekor terdapat serabut ekor.
• Ujung pada serabut ekor berfungsi sebagai penerima rangsangan (reseptor). 

Bagian kepala dan ekor memiliki selubung yang disebut kapsid. Selubung atau kapsid tersusun atas molekul-molekul protein. Satu unit protein yang menyusun kapsid disebut Kapsomer. Bagian yang aktif menyerang bakteri adalah asam nukleat  virus (DNA-virus), sedangkan mantel proteinnya ditinggalkan di luar sel inangnya.

Ada variasi yang cukup besar dalam ukuran dan kompleksitas antara virus. Beberapa memiliki kurang dari sepuluh gen dan bergantung hampir sepenuhnya pada fungsi inang. Lainnya diketahui mengandung 30-100 gen dan lebih mengandalkan protein yang dikodekan oleh DNA mereka sendiri. Bahkan virus terbesar terlalu kecil untuk dilihat di bawah mikroskop cahaya, sehingga studi tentang struktur virus sangat bergantung pada pengamatan dengan mikroskop elektron.

Studi Bakteriofag

Karena para ilmuwan tahu lebih banyak tentang biologi molekuler dan sel bakteri Escherichia coli yang umum dari sekitar sel atau organisme lain, mungkin tidak mengejutkan bahwa fag paling terkenal adalah mereka yang membutuhkan E. coli sebagai tuan rumah (coliphage). Hal ini tidak mungkin untuk mengamati pertumbuhan fag secara langsung (seperti pertumbuhan bakteri dapat dideteksi dengan munculnya koloni pada lempeng agar), namun pertumbuhan fag dapat langsung diamati oleh pembentukan plak, daerah yang kecil bening pada mediumin cawan petri.

Siklus reproduksi

Bakteriofag dapat berkembangbiak dengan dua mekanisme yang berbeda, disebut siklus litik dan siklus lisogenik. Beberapa fag hanya mampu melakukan pertumbuhan litik, sementara yang lain mempertahankan kemampuan untuk berkembang biak baik dengan pertumbuhan litik atau masuk ke dalam siklus lisogenik. Pada siklus litik, fag pertama menempel ke situs reseptor pada dinding sel inang.

Asam nukleat Fag (RNA atau DNA) disuntikkan di dalam inang, sedangkan kapsid protein dari partikel tetap menginfeksi di luar sel inang setiap saat. Setelah DNA atau RNA ada di dalam, transkripsi gen fag dimulai, dan protein fag mulai melakukan pengkodean.

Beberapa protein ini berfungsi untuk menonaktifkan dan menghancurkan DNA sel inang, memastikan bahwa sumber daya sel energi akan diarahkan secara eksklusif terhadap produksi protein fag dan replikasi asam nukleat fag. Replikasi Fag DNA atau RNA terjadi kemudian dengan cepat dan diikuti oleh pengemasan materi genetik ini ke dalam kapsid yang baru disintesis dari partikel keturunan fag.

Langkah terakhir adalah sel inang lisis-pecahnya sel inang untuk melepaskan fag progeni selesai dan infektif. Jumlah fag yang dirilis pada masing-masing ledakan bervariasi terhadap kondisi pertumbuhan dan spesies, tetapi kondisi ideal sering mengakibatkan ukuran ledakan 100-200 per sel inang.

Untuk bakteriofag temperat, mereka mampu memasuki siklus lisogenik, infeksi sel inang jarang menyebabkan lisis. Injeksi DNA fag ke dalam inang diikuti dengan periode singkat sintesis messenger RNA (mRNA), yang diperlukan untuk mengarahkan produksi protein fag represor, yang menghambat produksi protein fag yang terlibat dengan fungsi litik.

Sebuah enzim penyisipan DNA juga dibuat, yang memungkinkan DNA fag secara fisik dimasukkan ke dalam DNA dari inang. Sel kemudian dapat terus tumbuh dan berkembang biak, dan salinan baru dari gen fag direplikasi setiap generasi sel sebagai bagian dari kromosom bakteri. Sel inang dikatakan lisogenik, dengan mempertahankan potensi untuk dilisiskan jika profag muncul keluar dari DNA inang dan memasuki siklus litik. Profag terintegrasi tidak memiliki sifat yang berguna pada sel inang, namun, untuk sel sekarang akan kebal terhadap infeksi lebih lanjut dari spesies fag yang sama.

T4 Coliphage

Salah satu fag litik paling terkenal, yang sering digunakan dalam studi genetika, adalah T4 coliphage. Kapsid protein yang terdiri dari tiga bagian-utama kepala, ekor, dan serat ekor.

Molekul DNA sirkular untai ganda T4 dikemas ke dalam kepala berbentuk ikosahedral, dan selama proses infeksi itu terpaksa melalui ekor silinder dan kemudian langsung ke dalam sel inang. Kontak dengan sel dipelihara selama proses infeksi oleh serat ekor.

Perakitan diri dari fag progeni terjadi dalam setidaknya tiga lokasi selular yang berbeda, dengan kepala lengkap, ekor, dan serat ekor pertama kali dirakit secara terpisah dan kemudian disatukan dalam salah satu fase terakhir dari siklus infeksi.

Pengemasan dari DNA T4 yang telah direplikasi merupakan bagian integral dari proses perakitan kepala. Masing-masing dari tiga sub perakitan melibatkan urutan cukup kompleks dan sangat diatur langkah-langkah perakitan.

Misalnya, perakitan kepala diketahui memerlukan aktivitas delapan belas gen, meskipun hanya sebelas protein yang berbeda ditemukan sebagai komponen struktural kepala dewasa. Identifikasi jumlah dan urutan gen yang terlibat dengan setiap proses sub perakitan telah difasilitasi oleh analisis lisat buatan dari mutan T8.

Alat penelitian

Salah satu kesimpulan yang paling penting yang bisa ditarik dari studi tentang bakteriofag, dan genetika virus pada umumnya, adalah bahwa banyak dari hasil memiliki implikasi universal. Misalnya, sifat fisik DNA dan RNA yang sangat identik dalam semua organisme, dan ini mungkin yang paling mudah untuk belajar dalam sistem bakteriofag.

Studi tentang asal-usul mutasi spontan, pertama kali dilakukan pada fag, telah diperluas ke bentuk kehidupan lebih tinggi juga. Beberapa pertanyaan yang paling dasar mengenai interaksi protein-DNA yang terbaik ditangani dalam sistem virus, dan prinsip-prinsip yang muncul tampaknya berlaku untuk semua sistem eksperimental lainnya.

Ada banyak alasan untuk percaya bahwa banyak pertanyaan dasar dalam sel dan biologi molekuler akan terus menjadi yang terbaik dipelajari dalam virus seperti bakteriofag, dan bahwa beberapa investigasi ini akan menelurkan aplikasi yang langsung bisa mendapatkan keuntungan umat manusia.

Sudah pasti bahwa kemajuan dalam biologi molekuler yang telah merevolusi pemahaman biologi sel dan arsitektur molekul sel akan terus memperluas batas-batas pengetahuan dalam studi genetika virus. Aplikasi dalam pengobatan manusia, kedokteran hewan, dan pemuliaan tanaman yakin akan mengikuti, saat ilmuwan terus mengungkap kompleksitas dari organisme sederhana ini.