Wissenschaftler von Skoltech und Forschungszentren in Schweden und der Schweiz haben Ergebnisse vorgelegt, die den Mechanismus der Interaktion zwischen Bakterien und Phagen – Viren, die Bakterienzellen infizieren – erklären. Die Entdeckung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung neuer Wege zur Infektionsbekämpfung. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlichtZellberichte.
Krankheitserregende Mikroorganismen werden resistenter gegen Antibiotika. Forscher auf der ganzen Welt suchen nach neuen Mechanismen zur Bekämpfung pathogener Bakterien – einer davon ist die Phagentherapie. Bakteriophagen sind natürliche „Räuber“ und Feinde von Bakterien mit einer hohen Infektionsspezifität. Sie sind für den menschlichen Organismus ungefährlich, haben einen natürlichen Ursprung und sind überall dort zu finden, wo es Leben und Bakterien gibt. Phagen wurden schon vor mehr als 100 Jahren untersucht, doch mit der Entdeckung von Antibiotika ließ das Forschungsinteresse nach.
„Unser Labor bei Skoltech erforscht die neuen Systeme der bakteriellen Immunität. In den letzten Jahren hat die Bioinformatik Vorhersagen über eine Vielzahl neuartiger Antivirensysteme ermöglicht und ein neues Gebiet entstand – die mikrobielle Immunologie“, sagt der Leiter des Labors für Metagenomanalyse und a Co-Autor der Studie Artem Isaev.
„Die molekularen Mechanismen für die meisten dieser Systeme sind noch nicht entdeckt. Eine Möglichkeit herauszufinden, wie die mikrobielle Immunität funktioniert, besteht also darin, herauszufinden, wie Viren es geschafft haben, die Abwehr zu überwinden. Die Interaktion zwischen Viren und Bakterien kann als Wettrüsten beschrieben werden.“ : Wenn Bakterien eine neue Abwehrstrategie entwickeln, üben sie großen Druck auf die gegnerische Seite aus – die Phagen. Im Gegenzug sollten Phagen entstehen, die auf irgendeine Weise eine Resistenz gegen die bakterielle Immunität entwickeln.
„Es leitet eine neue Phase der bakteriellen Anpassung ein, und solch ein intensiver Wettbewerb führt zu einer Vielzahl antiviraler Systeme.“
Die Autoren untersuchten das BREX-Immunsystem (kurz für BacteRiophage EXclusion), einen Schutzmechanismus von Bakterien gegen Phagen, und zeigten, dass der Bakteriophage T3 die BREX-Kultur nur dann infizieren kann, wenn das spezielle Enzym exprimiert wird – die SAM-Lyase, die S-Adenosyl- Methionin, ein wichtiger Zellmetabolit.
„SAM dient als Spender von Methylgruppen, die die Expression von Genen regulieren können. Im Fall des BREX-Systems dient eine Methylgruppe auch als Markierung, die es Bakterien ermöglicht, zwischen ihrer eigenen DNA und der nicht methylierten zu unterscheiden.“ DNA des Virus.
„Unerwarteterweise wurde die Methylierungsfunktion von BREX nicht stark beeinträchtigt, während der BREX-Schutz durch die SAMase-Expression vollständig gestört wurde. Wir können davon ausgehen, dass SAM auch ein Cofaktor ist, der für die Hemmung der Virusinfektion durch das BREX-System notwendig ist“, sagt Artem Isaev .
Den Forschern zufolge entwickeln viele Länder Bakteriophagenbanken und unterstützen Projekte, die den Einsatz von Phagen für therapeutische Zwecke ermöglichen. Die Modifikation von Viruspartikeln könnte die Konstruktion modularer Bakteriophagen ermöglichen, die gegen einen bestimmten pathogenen Mikroorganismus wirksam sind, der im Körper eines bestimmten Patienten nachgewiesen wurde.
„Wir wissen immer noch nicht viel über das Repertoire der von Phagen kodierten Anti-Abwehr-Proteine, obwohl diese Proteine größtenteils für den Erfolg der Infektion von Bakterienzellen in der natürlichen Umgebung verantwortlich sind, wenn man bedenkt, dass es in Bakterien eine große Vielfalt an Immunsystemen gibt (einschließlich pathogene Spezies).
„Unsere Forschung trägt zum Aufbau des Interaktionsnetzwerks zwischen viralen Antiabwehrproteinen und bakteriellen Immunsystemen bei. Dies muss in der nächsten Phase der Entwicklung der Phagentherapie berücksichtigt werden, wenn wir uns der Schaffung von Phagen nähern, die in der Lage sind, bestimmte pathogene Bakterien abzutöten.“ “, fügt Artem Isaev hinzu.
Mehr Informationen:
Aleksandr Andriianov et al., Phage T3 überwindet die BREX-Abwehr durch SAM-Spaltung und Hemmung der SAM-Synthese durch SAM-Lyase, Zellberichte (2023). DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112972
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