Bakterien bieten Immunität gegen Riesenviren

Amöben erhalten überraschende Unterstützung bei der Abwehr von Viren: Die Bakterien, mit denen sie infiziert sind, verhindern, dass sie von Riesenviren zerstört werden. Ein Forscherteam um den Mikrobiologen Matthias Horn vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften der Universität Wien hat untersucht, wie eine Virusinfektion abläuft, wenn die Amöben gleichzeitig mit Chlamydien infiziert sind.

Das Forscherteam zeigt erstmals, dass intrazelluläre Bakterien, sogenannte Symbionten, ihren Wirt vor Viren schützen. Amöben sind Protisten, einzellige Mikroorganismen mit einem Zellkern. Protisten spielen eine Schlüsselrolle in Nahrungsnetzen und Ökosystemprozessen. Folglich deuten die Ergebnisse der Studie darauf hin, dass die Interaktion zwischen Symbionten und Viren den Nährstofffluss in Ökosystemen beeinflusst. Die Studie ist jetzt in der Fachzeitschrift erschienen PNAS.

Intrazelluläre Bakterien: Freund statt Feind?

Unter natürlichen Bedingungen werden Protisten, einschließlich der untersuchten Amöben, oft von bakteriellen Symbionten infiziert, zu denen Chlamydien gehören. Chlamydien sind vor allem als Humanpathogene bekannt. Nahe Verwandte dieser pathogenen Chlamydien wurden jedoch in einer Vielzahl von Tieren und Protisten entdeckt.

„Da eine Chlamydien-Infektion nach heutigem Kenntnisstand zu einer langsameren Wachstumsrate des infizierten Wirts führt, werden Chlamydien gemeinhin als Parasiten angesehen“, erklärt Patrick Arthofer, Erstautor der Studie und Ph.D. Studentin am Center for Microbiology and Environmental Systems Science (CMESS).

Parasitäre Bakterien wirken sich negativ auf den Wirt aus, während Symbionten mit positiver Wirkung Mutualisten genannt werden. „Unsere Studie zeigt, dass Chlamydien hier eher Mutualisten als Parasiten sind, da sie die Protisten vor tödlichen Infektionen durch Riesenviren schützen. Denn langsamer wachsen ist besser als sterben“, sagt Arthofer.

Riesenviren und ihre einzelligen Wirte

Infektionen mit Bakterien, aber auch solche mit Viren, prägen die Entwicklung von Populationen von Protisten. Die Forscher der Universität Wien und der Université de Poitiers in Frankreich wollten wissen, wie eine Virusinfektion abläuft, wenn Protisten gleichzeitig mit Bakterien infiziert werden. Um eine Situation zu untersuchen, die auch in natürlichen Umgebungen auftreten könnte, isolierten die Wissenschaftler zunächst Amöben, Bakterien und ein riesiges Virus aus derselben Umweltprobe.

Riesenviren sind erst seit etwa 20 Jahren bekannt. Ihre Entdeckung stellt viele bisherige Annahmen über Viren in Frage, denn sie sind nicht nur um ein Vielfaches größer als alle bisher bekannten Viren, sondern besitzen auch Gene, von denen bisher angenommen wurde, dass sie charakteristisch für zelluläre Organismen wie Bakterien, Tiere, Pflanzen und Pilze sind. Sie sind nach heutigem Kenntnisstand für Tier und Mensch völlig ungefährlich. Ihre natürlichen Wirte sind Einzeller mit Zellkern, die Protisten.

Wenn Riesenviren eine Wirtszelle infizieren, bauen sie die gesamte Wirtszelle um und bauen eine sogenannte „Virenfabrik“ auf. Diese Virenfabrik produziert Hunderte neuer Viruspartikel, bis die Wirtszelle platzt und die neuen Viren freisetzt. „Ist der Protist mit bakteriellen Symbionten infiziert, ist genau dieser Prozess blockiert“, erklärt Matthias Horn, Leiter der Forschungsgruppe an der Universität Wien. „Unsere Studie zeigt, dass das Vorhandensein der Chlamydien die Aufnahme des Virus nicht verhindert. Allerdings können die Viren anschließend keine funktionierende Virenfabrik bilden“, sagt er.

Die Wechselwirkung der Bakterien mit den Riesenviren im Inneren der Amöbe hat nicht nur Folgen für den Wirt selbst. „Eine verbreitete Hypothese ist, dass diese intrazellulären Wechselwirkungen zwischen Riesenviren und bakteriellen Symbionten eine Rolle dabei gespielt haben, dass Riesenviren so komplex geworden sind“, sagt Horn. Die Untersuchung von Virus-Symbionten-Interaktionen könnte daher Antworten auf die Frage liefern, wie sich Riesenviren entwickelt haben.

Bakterien, die vor Viren schützen, beeinflussen Nahrungsnetze

Protisten sind weit verbreitet und leben unter anderem in Gewässern, Meerwasser und Meeresböden. Sie ernähren sich von Bakterien, nehmen so die in den Bakterien gebundenen Nährstoffe auf und geben sie, wenn sie selbst gefressen werden, an Tiere wie kleine Krebstiere weiter. Nur so haben die Tiere Zugang zu den von Bakterien bereitgestellten Nährstoffen. Werden die Protisten durch Viren getötet, können die freigesetzten Nährstoffe nur noch einmal von Bakterien verstoffwechselt werden.

„Wenn Chlamydien die Protisten vor der Zerstörung durch Viren schützen, sorgen sie nicht nur dafür, dass ihre Wirte Nahrungsquelle für Kleintiere bleiben. Darüber hinaus könnten die bakteriellen Symbionten den gesamten Nährstoffkreislauf in Ökosystemen beeinflussen“, erklärt Arthofer.

Zukünftige Forschungen werden zeigen, inwieweit dieser Prozess die Funktion von Ökosystemen beeinflusst. „Generell sagt uns ein genauerer Blick auf die Interaktionen zwischen Viren und Symbionten etwas über die Dynamik von Ökosystemen“, sagt Matthias Horn. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler daher den genauen Mechanismus hinter dem bakterienvermittelten Schutz von Protisten vor Riesenviren untersuchen.

Anouk Willemsen, Co-Autorin des Papers und Virologin am CMSESS, konzentriert sich zudem speziell auf Riesenviren: In einem kürzlich vom Europäischen Forschungsrat (ERC) genehmigten Forschungsprojekt untersucht sie, wie Riesenviren zu ihrer Komplexität gekommen sind.