Das Wort „Virus“ ist oft mit negativen Konnotationen verbunden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Viren schädlich sind. Tatsächlich gibt es viele Viren, die in unserem Körper leben und eine wichtige Rolle für unsere Gesundheit spielen. Ein Beispiel sind Bakteriophagen, Viren, die Bakterien infizieren und zur Bekämpfung bakterieller Infektionen eingesetzt werden können.
Es ist bekannt, dass diese Viren komplexere Formen haben und auf atomarer Ebene bisher nicht im Detail untersucht wurden. Sie können so konstruiert werden, dass sie für Anwendungen von menschlichem Interesse besser geeignet sind, beispielsweise als Alternative zum Einsatz von Antibiotika.
Wissenschaftler am Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) haben zusammen mit ihren internationalen Mitarbeitern an der MSU Moskau und Shenzhen sowie der Academia Sinica in Taiwan die molekulare Architektur des Tequintavirus, auch bekannt als T5-ähnliche Bakteriophagen, untersucht, um zu verstehen, wie diese Viren sind auf molekularer Ebene organisiert.
T5-Viren sind unbehüllte Viren mit einem ikosaedrischen Kopf, der die virale DNA enthält, und einem nicht kontraktilen, flexiblen Schwanz, der als Kanal für die DNA-Injektion in die bakterielle Wirtszelle fungiert.
Struktur eines gesamten DT57C-Bakteriophagen. Das gesamte Virus wurde in drei Dimensionen mit nahezu atomarer Auflösung rekonstruiert und in dieser Animation visualisiert. Bildnachweis: OIST
Die Wissenschaftler erstellten Atommodelle für alle Strukturbestandteile des Virus. Dies ist das erste Mal, dass ein Schwanzvirus mit flexiblem Schwanz auf dieser Detailebene vollständig entdeckt wurde. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation und legen die Grundlage für zukünftige Studien zum Infektionsmechanismus dieser Viren.
„Um diese Viren für bestimmte Zwecke effizient zu konstruieren und zu modifizieren, müssen wir ihre Organisation auf atomarer Ebene und die Mechanismen kennen, mit denen sie ihre Zielbakterien infizieren. Aus diesen Gründen haben wir uns entschieden, den Bakteriophagen DT57C mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie sichtbar zu machen.“ in ihrer Gesamtheit eine hohe Auflösung“, erklärt Prof. Matthias Wolf, Leiter der Abteilung Molekulare Kryo-Elektronenmikroskopie.
Forscher, die an Phagentherapien arbeiten, bei denen Bakteriophagen zur Behandlung bakterieller Infektionen in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, Fischaquakulturen und anderen Bereichen eingesetzt werden, können von den Ergebnissen dieser Studie profitieren. „Das von uns gewonnene Strukturwissen kann die Entwicklung von Bakteriophagen mit verbesserter Fähigkeit zur Abtötung dieser bakteriellen Krankheitserreger ermöglichen“, fügte Prof. Wolf hinzu.
Bedeutet das, dass Bakteriophagen „gute“ Viren sind? Dr. Rafael Ayala, Hauptautor der Forschungsarbeit, erklärte, dass diese Viren gut sind, wenn ihre Wirkung uns nützt, und schlecht, wenn sie uns Schaden zufügen, wie es bei Bakterien der Fall ist.
Ein Beispiel dafür, welchen Nutzen Bakteriophagen für uns haben können, ist ihr Einsatz in der Gentherapie. „Eine Möglichkeit, Gene an Zellen zu verteilen, besteht darin, sie in ein menschliches Virus einzubringen, das auf zwei Arten verändert wurde: erstens, um keine Krankheit zu verursachen, und zweitens, um auch die Gene zu tragen, die man einführen möchte, um eine bestimmte Krankheit zu heilen.“ „Auf diese Weise wird das Virus als Vehikel zur Einführung einer Heilung genutzt“, sagte Dr. Ayala.
Eine der größten Herausforderungen der Forschung bestand darin, den Bakteriophagen als Ganzes aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen detailliert zu rekonstruieren und nicht nur einige seiner Bestandteile. Der Bakteriophage DT57C besteht aus einem Kopf, einem Hals, einem Schwanz und einer Grundplatte am Ende des Schwanzes. Viele dieser Komponenten sind flexibel und können sich frei bewegen, was es schwierig macht, ihre molekulare Architektur im Detail zu visualisieren, ähnlich wie es schwierig ist, ein gutes Foto eines sich schnell bewegenden Objekts zu machen.
Um dem entgegenzuwirken, entwickelten die Forscher neue Methoden, die sie auf andere Viren mit komplexen Formen anwenden wollen. „Wir mussten über neue Wege nachdenken, um die Probleme anzugehen, auf die wir gestoßen sind, und wir glauben, dass die in dieser Studie entwickelten Methoden für viele Forscher, die Viren untersuchen, von Interesse sein werden“, erklärte Dr. Ayala. „Die Phagentherapie ist ein aktives Forschungsgebiet und es ist sehr wahrscheinlich, dass wir diese Behandlungen noch in unserem Leben erleben werden.“
Der Einsatz von Viren zur Veränderung von Bakterien ist von großem Interesse, da Bakterien im Mittelpunkt vieler natürlicher und technischer Prozesse stehen, darunter Nährstoffrecycling, Symbiose, Bioremediation (Bakterien werden zur Beseitigung von Umweltschadstoffen eingesetzt) und Lebensmittelproduktion. Diese Forschung wird bei der Entwicklung von Viren zur Bekämpfung bakterieller Krankheiten nützlich sein, die Menschen, Pflanzen und andere Organismen betreffen.
Mehr Informationen:
Rafael Ayala et al.: Die nahezu vollständige Struktur des Bakteriophagen DT57C enthüllt die Architektur der Kopf-Schwanz-Schnittstelle und der seitlichen Schwanzfasern. Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43824-9