Hilfsmetabolische Gene erweitern das Verständnis von Phagen und ihrer Reprogrammierungsstrategie

Viren, die Bakterien infizieren – sogenannte Bakteriophagen – könnten gezielt zur Bekämpfung bakterieller Erkrankungen eingesetzt werden. Sie spielen auch eine wichtige ökologische Rolle in globalen biogeochemischen Kreisläufen. Aktuelle Forschungen von Forschern der Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) haben ein bisher unbekanntes Hilfsstoffwechselgen in aquatischen Phagen identifiziert und damit das bisherige Verständnis dieser bakteriellen Fressfeinde deutlich erweitert.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Phagen sind Viren, die ausschließlich Bakterien angreifen. Das Ziel zahlreicher Wissenschaftler ist es, mehr über diese winzigen Replikationseinheiten mit einer Größe zwischen 20 und 300 nm (ein Haar ist 80.000 nm dick) zu erfahren.

„Wenn wir die Details verstehen, wie Phagen letztendlich Bakterien infizieren und abtöten, können wir sie in Zukunft möglicherweise gezielt gegen schädliche Bakterien einsetzen“, erklärt Professorin Nicole Frankenberg-Dinkel von der RPTU. Das Mikrobiologieteam untersucht die verschiedenen Strategien, mit denen Phagen Bakterien in „Fabriken“ für ihre Replikation, also die Produktion Hunderter neuer Phagen, verwandeln.

„Wir interessieren uns besonders für aquatische Lebensräume, insbesondere Ozeane und Seen, da Phagen in großer Zahl vorkommen und eine wichtige ökologische Rolle bei der Nährstoffverwertung spielen“, sagt Prof. Frankenberg-Dinkel.

Das langfristige Ziel der Bakteriophagen-Forschung besteht nicht nur darin, mit der Phagentherapie „schlechte“ Bakterien zu bekämpfen, die für Krankheiten verantwortlich sind, sondern – um bei aquatischen Lebensräumen zu bleiben – auch die ökologische Rolle von Phagen in den globalen Nährstoffkreisläufen zu untersuchen.

Phagen spielen eine entscheidende ökologische Rolle in aquatischen Umgebungen, indem sie Bakterienpopulationen kontrollieren, die mikrobielle Vielfalt aufrechterhalten und den Nährstoffkreislauf durch Prozesse wie den viralen Shunt beeinflussen. Sie treiben auch die mikrobielle Evolution voran, indem sie den horizontalen Gentransfer fördern – die Übertragung von einem Organismus auf einen anderen und nicht – wie es normalerweise der Fall ist – von Generation zu Generation – und selektiven Druck auf Bakterien ausüben.

In einer aktuellen Studie analysierte Frankenberg-Dinkels Team – in Zusammenarbeit mit Forschern aus Israel, den Niederlanden, Tübingen und Stechlin/Potsdam – Phagen-Genmaterial aus Umweltproben mithilfe der Bioinformatik.

„Normalerweise enthält dieses genetische Material hauptsächlich die Bauplaninformationen für die Produktion neuer Phagenpartikel. Die Phagen nutzen die Bakterien dann als Fabriken“, sagt der Professor.

Allerdings fanden die Forscher auch „Hilfsstoffwechselgene“ im Phagen-Erbgut. Diese Hilfsgene stammen ursprünglich von Bakterien und wurden einst von den Phagen gekapert. Sie sind nicht für den Zusammenbau neuer Phagenpartikel erforderlich, sondern dienen vielmehr dazu, den Wirt – nämlich die Bakterien – während einer Phageninfektion „umzuprogrammieren“.

„In unserer Studie haben wir ein bisher unbekanntes metabolisches Hilfsgen in den Phagen entdeckt“, erklärt Frankenberg-Dinkel ihre neuesten Ergebnisse. „Wir konnten zeigen, dass dieses Gen für ein aktives Protein kodiert, das für die Biosynthese der ‚Farbstoffe des Lebens‘ wichtig ist.“

Tetrapyrrole werden als Pigmente des Lebens bezeichnet. Die wichtigsten Vertreter dieser chemischen Verbindungen sind Häm, ein Bestandteil des Hämoglobins im Blut für den Sauerstofftransport, und Chlorophyll, der für die Photosynthese essenzielle grüne Blattfarbstoff.

Frankenberg-Dinkel bemerkt: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Tetrapyrrole bei einer Phageninfektion eine wichtige Rolle spielen. Sie scheinen so wichtig zu sein, dass Phagen dieses zusätzliche genetische Material tragen, weil es für sie irgendwie von Vorteil ist.“

„Die Bedeutung von Tetrapyrrolen für die Phageninfektion war bisher in diesem Ausmaß nicht bekannt. Tetrapyrrole sind für die Energieproduktion in Zellen unerlässlich“, so Frankenberg-Dinkel weiter. „Wir vermuten, dass es einen erhöhten Energiebedarf gibt, wenn Bakterien Phagenpartikel produzieren müssen. Daher könnten mehr Tetrapyrrole nötig sein.“

Die Forscher konnten nachweisen, dass das Hilfsstoffwechselgen in Phagen vorhanden ist, die sowohl in Salz- als auch in Süßwasser identifiziert wurden.

Laut Frankenberg-Dinkel offenbaren die aktuellen Studienergebnisse eine weitere interessante Erkenntnis: Es gibt zwei Wege, die erste Vorstufe von Tetrapyrrolen herzustellen, einer davon ist der sogenannte Shemin-Weg. Und genau diesen Weg – bzw. das dafür nötige Erbgut – haben die Forscher in den Phagen identifiziert.

„Der Shemin-Weg kommt nur in einer Gruppe von Bakterien vor, ansonsten nur bei Vögeln und Säugetieren. Das bedeutet, dass die Phagen dieses Gen von einer bestimmten Gruppe von Bakterien erworben haben müssen. Vielleicht, weil der Shemin-Weg effizienter ist als die Alternative C5.“ Da hierfür nur ein statt zwei Enzyme erforderlich sind“, schließt sie.