Bakteriophagen

Bedeutung und Grundprinzip

Bakteriophagen, kurz Phagen, sind Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel und nutzen deshalb den Stoffwechsel sowie Teile des Replikationsmechanismus lebender Bakterienzellen, um ihr Erbgut zu vermehren. Die meisten Autoren zählen Viren daher nicht zu den Lebewesen.

Bakterienviren sind sehr häufig: Im gesamten Meerwasser werden etwa 10^{30} Virionen geschätzt. Zusammen mit Viren der Archaeen und Protisten bilden sie das Virioplankton. Zu den Bakteriophagen gehören beispielsweise Cyanophagen, welche Cyanobakterien infizieren.

Phagen sind meist stark an bestimmte Wirte angepasst. Bezeichnungen wie Coliphagen für Viren von Escherichia coli oder Cyanophagen für Viren von Cyanobakterien beschreiben vor allem den Wirt und meist keine gemeinsame Verwandtschaftsgruppe. Die meisten Bakteriophagen besitzen ein doppelsträngiges DNA-Genom (dsDNA), das linear oder zirkulär sein kann. Es gibt aber auch Phagen mit einzelsträngiger DNA (ssDNA) oder RNA.

Aufbau der Phagen

Besonders bekannt sind Kopf-Schwanz-Phagen der Klasse Caudoviricetes, zu denen viele untersuchte Phagen von Escherichia coli gehören. Der Bakteriophage T2 hat beispielsweise einen polyedrischen Kopf von 100 nm Länge und einen etwa gleich langen Schwanz.

Ein komplexer Kopf-Schwanz-Phage wie T4 besteht aus mehreren Bauteilen:

• Der Kopf enthält das Kapsid, eine Proteinhülle mit ikosaedrischer Symmetrie, und das Genom. Beim T4-Phagen besteht das Kapsid aus 152 Kapsomeren.
• Ein Hals oder Kragen verbindet Kopf und Schwanz.
• Die Grundplatte am Schwanzende trägt Schwanzfasern und Spikes. Diese binden an passende Rezeptoren auf der Zellwand des Bakteriums.
• Der Injektionsapparat enthält ein Schwanzrohr. Durch dieses gelangt die Phagen-Nukleinsäure in die Wirtszelle.
• Bei Myoviren umgibt eine kontraktile Schwanzscheide das Rohr und zieht sich bei der Injektion zusammen.

Phagen mit ssDNA sind meist kleiner. Sie können sphärisch und schwanzlos sein, etwa die Microviridae, oder filamentös, etwa Vertreter der Tubulavirales. RNA-Phagen besitzen meist eine Proteinhülle mit einem einzelsträngigen RNA-Molekül; ihr Durchmesser beträgt etwa 25 nm.

Vermehrung in Bakterienzellen

Die Vermehrung beginnt mit der Adsorption: Schwanzfasern eines Phagen binden an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche eines Bakteriums. Anschließend wird die Phagen-DNA oder -RNA in die Zelle injiziert; die leere Proteinhülle bleibt außen zurück.

In der Latenzphase sind im Bakterium zunächst keine fertigen Phagen nachweisbar. Das Virusgenom wird transkribiert, virale mRNA wird translatiert und die Virusnukleinsäure repliziert. Dieser Vorgang dauert höchstens einige Stunden. Danach entstehen in der Produktionsphase die Virusbestandteile, etwa Hüllproteine und Schwanzfasern. In der Reifephase werden sie zu neuen Phagen zusammengesetzt. Das Kapsid wird zunächst gebildet und anschließend mit der Phagen-Nukleinsäure gefüllt.

Beim lytischen Zyklus werden die fertigen Phagen freigesetzt, indem Lysozym die bakterielle Mureinzellwand auflöst. Die Zelle platzt; dabei werden etwa 200 infektiöse Phagen frei.

Temperente Phagen können außerdem einen lysogenen Zyklus durchlaufen. Dabei wird die Phagen-DNA in das Bakterienchromosom eingebaut. Das integrierte Virusgenom heißt Prophage und wird bei jeder Zellteilung zusammen mit dem Bakterienerbgut verdoppelt und weitergegeben. Später kann der lysogene in den lytischen Zyklus übergehen.

Vielfalt und Klassifikation

Bakterien- und Archaeenviren bilden keine geschlossene Verwandtschaftsgruppe. Die Virusklassifikation richtet sich vor allem nach dem Genom, nachrangig nach Morphologie und Wirt. Die Baltimore-Klassifikation unterscheidet bei Phagen unter anderem dsDNA-, ssDNA-, dsRNA- und ssRNA-Phagen.

Zu den dsDNA-Phagen gehören beispielsweise die Familien Autographiviridae, Straboviridae, Drexlerviridae und Demerecviridae. ssDNA-Phagen umfassen unter anderem Finnlakeviridae, Inoviridae und Microviridae. Die Familie Cystoviridae enthält dsRNA-Phagen, die Fiersviridae, auch Leviviridae genannt, ssRNA-Phagen.

Die früher morphologisch begründete Ordnung Caudovirales wurde wegen der großen genomischen Vielfalt zur Klasse Caudoviricetes hochgestuft. Zu ihren bekannten Formen gehören Myoviren mit kontraktilem Schwanz, Siphoviren mit langem nichtkontraktilem Schwanz und Podoviren mit kurzem nichtkontraktilem Schwanz. Die früher zusammenfassend als T-Phagen bezeichneten Typen T1 bis T7 sind kein gemeinsames Taxon. Nur die geraden Typen T2, T4 und T6 erwiesen sich zufällig als näher verwandt.

Neben Kopf-Schwanz-Phagen werden auch schwanzlose oder filamentöse Phagen untersucht. Dazu gehören die filamentösen Tubulavirales mit der Familie Inoviridae, die ssDNA-Familie Finnlakeviridae, die dsDNA-Familie Autolykiviridae sowie der Cyanophage Planktothrix-Phage PaV-LD.

Riesenphagen und Darmphagen

dsDNA-Phagen mit mehr als 200 kbp Genomgröße heißen Jumbo-Phagen, solche mit mehr als 540 kbp Megaphagen. Eine Analyse von 2020 fasste Phagen mit mehr als 200 kbp als „Riesenphagen“ zusammen und setzte die Grenze für Megaphagen bei 500 kbp. In Metagenomdaten wurden 351 dsDNA-Phagensequenzen gefunden, davon nur drei unter 200 kbp. Das größte Genom umfasste 735 kbp; gewöhnliche Nicht-Riesenphagen haben im Mittel nur 52 kbp.

Riesenphagen können tRNAs kodieren, vom Standard abweichende genetische Codes verwenden und mit CRISPR/Cas-Systemen interagieren. Bei einigen kodiert das Stop-Codon UAG für eine Aminosäure. Sie infizieren meist Firmicutes oder Proteobacteria, teilweise auch Bacteroidetes. Die Forschung nennt als mögliche Bedeutung ihre Verbreitung zwischen Wirten und Ökosystemen sowie ihre Rolle bei Toxin- und Antibiotikaresistenz-Genen.

Im menschlichen Darm gehören crAssphagen der Ordnung Crassvirales zu den häufigsten Phagen. Gubaphagen, die Bacteroides oder Parabacteroides infizieren, wurden 2019/2020 als zweithäufigste Phagengruppe dieser Umgebung beschrieben. Wegen ihrer Ähnlichkeit mit crAssphagen sind sie wahrscheinlich ebenfalls Mitglieder der Crassvirales oder zumindest der Caudoviricetes.

Anwendungen und möglicher Schaden

Phagen werden wegen ihrer Wirtsspezifität zur Bestimmung bakterieller Erreger eingesetzt; dieses Verfahren heißt Lysotypie. Aufgrund multipler Antibiotikaresistenzen wird außerdem die Phagentherapie als möglicher Antibiotika-Ersatz erforscht. Schwierigkeiten entstehen dadurch, dass Fresszellen Phagen im Körper vergleichsweise schnell als Fremdkörper beseitigen. In Deutschland ist die therapeutische Anwendung bisher nicht zulässig.

In der Lebensmittelproduktion können Phagen beispielsweise als Sprühnebel beim Verpacken von Würstchen oder beim Aufschneiden von Käseaufschnitt eingesetzt werden. Phagen und ihre Bestandteile dienen außerdem dazu, mikrobielle Verunreinigungen aus Lebensmitteln und endotoxinbelasteten Laborproben zu entfernen. Weitere mögliche Anwendungen betreffen die Dekolonisierung von Krankenhauskeimen wie MRSA.

In der Gentechnik können temperente Phagen wie Phage λ als Vektoren dienen. Virulenzgene werden dabei durch gewünschte Gene ersetzt, etwa Gene zur Insulinproduktion. Phagen-Display wird zur Identifikation von Bindungspartnern und zur Isolierung neuer Wirkstoffe verwendet. Für den Transfer freier DNA in Bakterienzellen wird heute jedoch überwiegend die einfachere Transformation eingesetzt.

Phagen können wirtschaftlich schaden, wenn sie erwünschte bakterielle Prozesse stören. Besonders die Infektion von Milchsäurebakterien aus Rohmilch ist eine häufige Ursache für verringerte oder fehlende Enzymaktivität in Starterkulturen der Käse- oder Dickmilchproduktion.