Koinfizierende Viren behindern sich gegenseitig bei der Zellinvasion

Der Prozess, durch den Phagen – Viren, die Bakterien infizieren und sich in ihnen vermehren – in Zellen eindringen, wird seit über 50 Jahren untersucht. In einer neuen Studie haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign und der Texas A&M University modernste Techniken eingesetzt, um diesen Prozess auf der Ebene einer einzelnen Zelle zu untersuchen.

„Das Feld der Phagenbiologie hat im letzten Jahrzehnt einen Boom erlebt, weil immer mehr Forscher die Bedeutung von Phagen in Ökologie, Evolution und Biotechnologie erkennen“, sagte Ido Golding (CAIM/IGOH), Professor für Physik. „Diese Arbeit ist einzigartig, weil wir die Phageninfektion auf der Ebene einzelner Bakterienzellen untersucht haben.“

Bei einer Phageninfektion heftet sich das Virus an die Oberfläche eines Bakteriums. Anschließend injiziert das Virus sein genetisches Material in die Zelle. Nach dem Eindringen kann ein Phage die Zelle entweder dazu zwingen, weitere Phagen zu produzieren und schließlich zu explodieren (ein Vorgang, der als Zelllyse bezeichnet wird), oder der Phage kann sein Genom in das bakterielle integrieren und inaktiv bleiben (ein Vorgang, der als Lysogenese bezeichnet wird). Das Ergebnis hängt davon ab, wie viele Phagen die Zelle gleichzeitig infizieren. Ein einzelner Phage verursacht eine Lyse, während eine Infektion mit mehreren Phagen zu einer Lysogenese führt.

In der aktuellen Studie wollten die Forscher herausfinden, ob die Anzahl der infizierenden Phagen, die an die Bakterienoberfläche binden, der Menge an viralem genetischem Material entspricht, das in die Zelle injiziert wird. Dazu markierten sie sowohl die Proteinhülle der Phagen als auch das genetische Material im Inneren fluoreszierend. Anschließend züchteten sie Escherichia coli, verwendeten unterschiedliche Konzentrationen infizierender Phagen und verfolgten, wie viele von ihnen ihr genetisches Material in E. coli injizieren konnten.

„Wir wissen seit den 70er Jahren, dass es Auswirkungen auf den Ausgang der Infektion hat, wenn mehrere Phagen dieselbe Zelle infizieren. In dieser Arbeit konnten wir präzise Messungen durchführen, wie es in keiner anderen Studie bisher möglich war“, sagte Golding.

Die Forscher waren überrascht, dass das Eindringen des genetischen Materials eines Phagen durch die anderen koinfizierenden Phagen behindert werden konnte. Sie stellten fest, dass, wenn mehr Phagen an der Oberfläche der Zelle haften, relativ weniger von ihnen eindringen konnten.

„Unsere Daten zeigen, dass das erste Stadium der Infektion, der Eintritt der Phagen, ein wichtiger Schritt ist, der bisher unterschätzt wurde“, sagte Golding. „Wir fanden heraus, dass die koinfizierenden Phagen sich gegenseitig den Eintritt behinderten, indem sie die Elektrophysiologie der Zelle störten.“

Die äußerste Schicht von Bakterien ist ständig mit der Bewegung von Elektronen und Ionen konfrontiert, die für die Energieerzeugung und die Signalübertragung in und aus der Zelle entscheidend sind. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher begonnen, die Bedeutung dieser Elektrophysiologie für andere bakterielle Phänomene, einschließlich der Antibiotikaresistenz, zu erkennen. Dieser Artikel eröffnet einen neuen Weg für die Forschung zur bakteriellen Elektrophysiologie – ihre Rolle in der Phagenbiologie.

„Diese Störungen beeinflussen, wie viele Phagen tatsächlich eindringen, und wirken sich auf die Wahl zwischen Lyse und Lysogenese aus. Unsere Studie zeigt auch, dass der Eintritt durch Umweltbedingungen wie die Konzentration verschiedener Ionen beeinflusst werden kann“, sagte Golding.

Das Team ist daran interessiert, seine Techniken zu verbessern, um die molekularen Grundlagen des Phageneintritts besser zu verstehen.

„Obwohl die Auflösung unserer Techniken gut war, war das, was auf molekularer Ebene geschah, für uns noch immer weitgehend unsichtbar“, sagte Golding. „Wir prüfen, ob wir das Minflux-System am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology einsetzen können. Der Plan ist, denselben Prozess zu untersuchen, aber eine bessere experimentelle Methode anzuwenden. Wir hoffen, dass uns dies dabei helfen wird, neue biologische Erkenntnisse zu gewinnen.“

Die Studie „Koinfizierende Phagen behindern sich gegenseitig am Eindringen in die Zelle“ wurde publiziert In Aktuelle Biologie.