נגיפים שמדביקים חיידקים – הידועים כחיידקים – יכולים לשמש באופן ממוקד כדי להילחם במחלות חיידקיות. הם גם ממלאים תפקיד אקולוגי חשוב במחזורים הביו-גיאוכימיים העולמיים. מחקר שנערך לאחרונה על ידי חוקרים מאוניברסיטת קייזרסלאוטרן-לנדאו (RPTU) זיהה גן מטבולי עזר שלא היה ידוע בעבר בפאג'ים מימיים, ובכך הרחיב משמעותית את ההבנה הקודמת של טורפי חיידקים אלה.
פאגים הם וירוסים התוקפים באופן בלעדי חיידקים. המטרה של מדענים רבים היא ללמוד יותר על יחידות שכפול זעירות אלו, במידות שבין 20 ל-300 ננומטר (עובי שערה הוא 80,000 ננומטר).
אם נבין את הפרטים של האופן שבו הפאג'ים בסופו של דבר מדביקים והורגים חיידקים, אז בעתיד אולי נוכל להשתמש בהם במיוחד נגד חיידקים מזיקים".
פרופסור ניקול פרנקנברג-דינקל מה-RPTU
צוות המיקרוביולוגיה חוקר את האסטרטגיות השונות שבהן משתמשים הפאג'ים כדי להפוך חיידקים ל"מפעלים" לשכפול שלהם, כלומר, ייצור של מאות פאגים חדשים. "אנחנו מתעניינים במיוחד בבתי גידול מימיים, במיוחד באוקיינוסים ובאגמים, מכיוון שפאגים מתרחשים במספרים גבוהים, והם ממלאים תפקיד אקולוגי חשוב במחזור חומרים מזינים."
המטרה ארוכת הטווח של תחום חקר הבקטריופאג'ים היא לא רק ליישם טיפול פאג'ים כדי להילחם בחיידקים 'רעים' האחראים למחלות, אלא גם – היצמדות לבתי גידול מימיים – לטפל בתפקיד האקולוגי של הפאג'ים במחזורי התזונה העולמיים. הפאג'ים ממלאים תפקיד אקולוגי מכריע בסביבות מימיות על ידי שליטה באוכלוסיות חיידקים, שמירה על מגוון מיקרוביאלי והשפעה על מחזוריות חומרי הזנה באמצעות תהליכים כמו השאנט הנגיפי. הם גם מניעים את האבולוציה המיקרוביאלית על ידי קידום העברת גנים אופקית – העברה מאורגניזם אחד לאחר במקום, כפי שקורה בדרך כלל, מדור לדור – והפעלת לחץ סלקטיבי על חיידקים.
במחקר שנערך לאחרונה, הצוות של פרנקנברג-דינקל – בשיתוף חוקרים מישראל, הולנד, טובינגן וסטכלין/פוטסדאם – ניתח חומר גנטי של פאג'ים מדגימות סביבתיות באמצעות ביואינפורמטיקה. "בדרך כלל, החומר הגנטי הזה מכיל בעיקר את מידע המתווה לייצור חלקיקי פאג' חדשים. הפאג'ים משתמשים אז בחיידקים כמפעלים". עם זאת, החוקרים מצאו גם מה שנקרא 'גנים מטבוליים עזר' בחומר הגנטי של הפאג'. גנים עזר אלה מגיעים במקור מחיידקים ופעם נחטפו על ידי הפאג'ים. הם אינם נדרשים להרכבה של חלקיקי פאג חדשים, אלא משמשים ל'תכנות מחדש' של המארח – כלומר החיידקים – במהלך זיהום בפאג'.
"במחקר שלנו, גילינו גן מטבולי עזר שלא היה ידוע בעבר בפאג'ים", אומרת פרנקנברג-דינקל, ומסבירה את תוצאותיה האחרונות. "הצלחנו להראות שהגן הזה מקודד לחלבון פעיל שחשוב לביו-סינתזה של 'פיגמנטים של החיים'". ה-Tetrapyrroles מכונים פיגמנטים של החיים. הנציגים החשובים ביותר של תרכובות כימיות אלו הם heme, מרכיב של המוגלובין בדם להובלת חמצן, וכלורופיל, פיגמנט העלים הירוקים החיוני לפוטוסינתזה: "התוצאות שלנו מצביעות על כך שלטטרפירולים יש תפקיד חשוב במהלך זיהום בפאג'. נראה שהם כל כך חשובים שפאג'ים נושאים את החומר הגנטי הנוסף הזה כי הוא מועיל להם איכשהו".
"חשיבותם של טטרפירולים להדבקה בפאג' לא הייתה ידועה עד כה במידה זו. טטרפירולים חיוניים לייצור אנרגיה בתאים", מסבירה פרנקנברג-דינקל עוד. "אנו חושדים שיש ביקוש מוגבר לאנרגיה כאשר חיידקים צריכים לייצר חלקיקי פאג. לכן, ייתכן שיהיה צורך בעוד טטרפירולים." החוקרים הצליחו להוכיח שהגן המטבולי המסייע קיים בפאג'ים שזוהו במלח ובמים מתוקים כאחד."
לדברי פרנקנברג-דינקל, תוצאות המחקר הנוכחיות חושפות ממצא מעניין נוסף: ישנן שתי דרכים לייצר את המבשר הראשון של טטרפירולים, שאחת מהן היא מה שמכונה מסלול שמין. ודווקא המסלול הזה – או יותר נכון ההרכב הגנטי הנדרש לו – זיהו החוקרים בפאג'ים. "מסלול שמין נמצא רק בקבוצה אחת של חיידקים, ואחרת רק בציפורים ויונקים. זה אומר שהפאג'ים רכשו את הגן הזה מקבוצת חיידקים מסוימת. אולי בגלל שמסלול שמין יעיל יותר מהחלופה C5 מסלול, מכיוון שהוא דורש רק אנזים אחד במקום שניים."
ביולוגיה של הפאג' היא תחום מחקר מתחדש. עבודתה של פרנקנברג-דינקל מומנה על ידי קרן המחקר הגרמנית (DFG) כחלק מתוכנית עדיפות מחקרית (SPP 2330: New Concepts in Prokaryotic Virus-host Interactions). "בתוכנית זו אנו עובדים יחד עם חוקרים רבים נוספים בתחום הנגיפים המיקרוביאליים", מסביר הפרופסור. כמה תגליות בביולוגיית הפאג', כמו מערכת CRISPR/Cas (שזכתה בפרס נובל), כבר התקדמו לנקודה שבה הן מיושמות.