Neue Forschungen zum Phagen φX174 geben Aufschluss über den Fluchtmechanismus

Im Zeitalter von COVID-19 weckt das Wort „Virus“ Gedanken an Ansteckung, Krankheit und sogar Tod. Aber was wäre, wenn es ein Virus gäbe – ein sehr kleines Virus, das sich jede halbe Stunde hunderte Male vermehren kann –, das eine schwere bakterielle Infektion heilen könnte, die gegen alle bekannten Antibiotika resistent ist? Diese Hoffnung motiviert Bil Clemons, Professor für Biochemie am Arthur and Marian Hanisch Memorial, zur Erforschung des Virus namens φX174.

φX174 ist ein Bakteriophage oder einfacher ein Phagen: ein Virus, das auf Bakterienzellen abzielt. Aus menschlicher Sicht führt φX174 ein einfaches Leben: Es findet sein Wirtsbakterium, parkt auf seiner Oberfläche, injiziert einen DNA-Strang in die Bakterienzelle, repliziert seine DNA immer wieder, zwingt die Zelle, virale Proteine ​​​​zu produzieren, baut das zusammen DNA und Protein werden in neue Virionen (Kopien des Phagen) umgewandelt und dann die Zellwand des Bakteriums aufgebrochen, damit die Virionen andere Wirte finden können, die sie infizieren können.

Es ist dieser Fluchtmechanismus, den das Clemons-Team in seinem kürzlich veröffentlichten Artikel erläutert Wissenschaft, „Der Mechanismus des Phagen-kodierten Proteinantibiotikums aus φX174.“ Basierend auf Bildern der Einzelpartikel-Elektronenkryomikroskopie zeigt sich, dass sich das E-Protein von φX174 mit den Proteinen MraY und SlyD seines bakteriellen Wirts verbindet, um einen stabilen Komplex zu bilden – den YES-Komplex. Dies führt zur Zelllyse: dem Durchbrechen der bakteriellen Zellwand und dem Absterben des Bakteriums.

φX174 ist seit etwa 100 Jahren auf dem Radar der Wissenschaftler. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Existenz von Phagen lediglich theoretisiert. Unabhängig voneinander postulierten der britische Bakteriologe Frederick Twort und der Quebecer Wissenschaftler Félix d’Herelle die Existenz von Phagen auf der Grundlage des Verhaltens von Bakterienkulturen in ihren Labors.

Manchmal, wenn die Bakterien sich auf ihren Petrischalen vermehren sollten, erschienen glänzende Flecken – Plaques – dort, wo keine Bakterien wuchsen. Durch das Durchleiten dieser Proben durch Filter wurden die Bakterien eingefangen, während ihre winzigen, unsichtbaren Killer durchgelassen wurden. Was auch immer sich erfolgreich durch die Filter bewegte, es war zu klein, um mit einem Mikroskop gesehen zu werden.

D’Herelle, der 1917 in Paris arbeitete, vermutete, dass es sich bei diesen Killern um bakterienfressende Viren handeln müsse, und war bereit, diese Theorie zu testen. Einer städtischen Legende zufolge, wie Clemons es erzählt, filterte d’Herelle wiederholt Abwasser und trank es dann, um zu sehen, ob es sicher zu konsumieren war. Da er sich unverletzt fühlte, bot er seinem ebenfalls unveränderten Laborassistenten einen Schluck an.

D’Herelle gab das gefilterte Abwasser dann einem Patienten, einem kleinen Jungen mit schwerer Ruhr, der am Rande des Todes stand. Mit diesem Phagencocktail, der höchstwahrscheinlich φX174 enthielt, wurde der Junge schnell wieder gesund.

Forscher aus ganz Europa kamen nach Paris, um mit d’Herelle zusammenzuarbeiten. Einer dieser Forscher, der kroatische Mikrobiologe Vladimir Sertič, arbeitete ein Jahrzehnt lang in d’Herelles Labor.

Es waren Sertič und sein Assistent Nikolai Boulgakov, die eine Taxonomie für bekannte Phagen entwickelten. Der exotisch klingende Name von φX174 bedeutet im Klassifizierungsschema von Sertic einfach „das 174. Virus im zehnten“. [roman numeral X] Reihe von Phagen, die auf mehrere Bakterien abzielen“, der Klasse φ: Phagen, die gegen mehrere Bakterien wirken. Die Phagentherapie heilte weiterhin bakterielle Krankheiten, tötete aber auch, wahrscheinlich weil die Forscher noch nicht wussten, wie man die Nebenprodukte der Phagenreplikation reinigt wie Bakterienreste, die giftig sein können.

Die Phagenforschung und -therapie wurde unter dem Druck des Zweiten Weltkriegs fragmentiert. Für die westlichen Verbündeten stellte die Produktion von hochwirksamem Penicillin die Phagentherapie völlig in den Schatten und wurde zur einzigen Lösung für bakterielle Infektionen. Da Penicillin ein Militärgeheimnis war, das nicht mit den östlichen Alliierten oder den Achsenmächten geteilt wurde, setzten sowjetische Ärzte den therapeutischen Einsatz von Phagen fort, eine Praxis, die bis heute in den Ländern der ehemaligen Sowjetunion fortbesteht.

Obwohl Phagen in den Jahrzehnten nach dem Zweiten Weltkrieg bei medizinischen Forschern in westlichen Ländern in Ungnade gerieten, entwickelte sich bei Forschern eine Faszination für sie. φX174, obwohl nur einer von Milliarden verschiedener Phagentypen, rückte als nützliches experimentelles Werkzeug für das sich entwickelnde Gebiet der Molekularbiologie an die Spitze.

Robert L. Sinsheimer, von 1957 bis 1977 Professor für Biophysik am Caltech, war maßgeblich an der Entwicklung von φX174 als Modellorganismus beteiligt. Sein Labor führte die Kartierung des Genoms von φX174 durch und entdeckte viele seiner interessanteren Merkmale. Als Sinsheimer die Geschichte 1991 in einem Oral History-Interview erzählte, lud er Max Delbrück, Professor für Biologie am Caltech, ein, Anfang der 1950er Jahre eine Reihe von Vorträgen an der Iowa State University zu halten, wo Sinsheimer damals an der Fakultät war.

„Er [Delbrück] „Mit seiner Phagenarbeit hat er uns einfach umgehauen“, sagte Sinsheimer. „Es war absolut großartig.“

Delbrück, der vor dem Krieg zunächst eine Ausbildung zum Physiker an der Universität Göttingen absolviert hatte, baute am Caltech eine Gruppe von Phagenforschern auf und nutzte die Viren, um die Geheimnisse der Molekulargenetik zu erforschen. Sinsheimer machte es sich zur Aufgabe, 1953 während eines sechsmonatigen Urlaubs ans Caltech zu kommen, um zu lernen, wie man mit Phagen arbeitet.

Als die beiden Männer eines Tages in Delbrücks Büro saßen und über das weitere Vorgehen in der Virologie diskutierten, kamen sie zu dem Schluss, dass es von Vorteil sein könnte, die kleinsten und möglicherweise einfachsten Phagen zu untersuchen, um die Virusstruktur und -replikation besser zu verstehen. Sinsheimer überprüfte Phagenkandidaten, entschied sich für φX174, beschaffte Proben aus Labors in England und Frankreich und machte sich an die Arbeit.

Auf der Grundlage von φX174 begann eine Reihe wissenschaftlicher Neuerungen. In einem Aufsatz von 1966 bezeichnete Sinsheimer φX174 als „multum in parvo“: lateinisch für „viel in wenig“. In den 1950er und 1960er Jahren überraschte φX174 die Forscher immer wieder. Im Jahr 1959, zwei Jahre nach seinem Eintritt bei Caltech, stellte Sinsheimer fest, dass φX174 nur über einen einzigen DNA-Strang verfügte, den es in die Wirtszelle injizierte, um mit der Replikation zu beginnen. Dies war eine Überraschung, da erst wenige Jahre zuvor entdeckt worden war, dass DNA eine Doppelhelixstruktur aufweist.

Im Jahr 1962 spekulierte Sinsheimer, dass die DNA von φX174 wie ein kreisförmiger Ring geformt sei, etwas, was Molekularbiologen noch nicht vorhergesehen hatten. Im Jahr 1977 war Frederick Sanger von der Universität Cambridge der erste Mensch, der ein Genom vollständig sequenzierte, was ihm 1980 den Nobelpreis für Chemie einbrachte. Dieses Genom gehörte zu φX174. Der Phage selbst wurde von Sinsheimer erworben.

In den späten 1970er Jahren war ein Großteil des Lebenszyklus von φX174 gut verstanden, es blieben jedoch Unsicherheiten bestehen. Es wurde angenommen, dass φX174 aus seinem bakteriellen Wirt ausbrach, indem es die Synthese der Peptidoglycanschicht – einer wichtigen Schutzbarriere in der Zellwand aller Bakterien – blockierte, genau wie Penicillin und andere pharmazeutische Antibiotika.

Für die meisten Phagen hatten Wissenschaftler gelernt, wie sie spezielle Enzyme, Endolysine, herstellen, die das Zucker-Aminosäure-Polymer abbauen, aus dem die Peptidoglykanschicht besteht. Diese Enzyme sind jedoch zu groß, um in der DNA eines winzigen Phagen wie φX174 enthalten zu sein.

„Das φX174-Genom ist wirklich klein“, erklärt Clemons. „Wenn man etwas kodieren würde, das die Zelllyse auf die Art und Weise bewirkt, wie es ein Lysozym tut – ein Enzym, das in unseren Tränen und unserem Speichel vorkommt und durch die Nachahmung von Endolysinen Schutz vor Bakterien bietet –, gäbe es keinen Platz für andere Proteine ​​im φX174-Genom. φX174 ist Teil einer Gruppe dieser Viren, die zu klein sind, um über eine komplexe Lysemaschinerie zu verfügen, daher mussten diese Phagen sehr einfache Methoden zur Lyse von Bakterienzellen entwickeln.“

Verschiedene Phagen und Antibiotika stören die Synthese von Peptidoglycan an verschiedenen Stellen im Prozess. Das E-Protein von φX174 zielt auf MraY ab, ein Membranenzym, das die Synthese eines Peptidoglycan-Vorläufers katalysiert. Um seine zerstörerische Arbeit zu vollenden, benötigt das Protein E von φX174 ein weiteres Protein, SlyD, das es von seinem bakteriellen Wirt entführt. „Es ist ein Rätsel“, sagt Clemons, „weil SlyD keinen Grund hat, hier zu handeln. Normalerweise interagiert es nicht mit MraY, es hat eine ganz andere Aufgabe. Doch irgendwie erfordert dieser Prozess SlyD.“

Diese drei Erreger, einer viral und zwei vom Wirt, bilden den YES-Komplex: MraY, Protein E, SlyD. Im Wesentlichen verschlingt sich das E-Protein von φX174 mit MraY und hemmt die enzymatische Aktivität von MraY. SlyD bindet und stabilisiert den Protein E- und MraY-Komplex, ohne mit MraY in Kontakt zu kommen.

Diese Entdeckung dürfte Forschern dabei helfen, das ursprüngliche Versprechen von Bakteriophagen als antibiotisches Therapeutikum zu erfüllen. Antibiotika haben im letzten Jahrhundert unzählige Leben gerettet, aber die Erfindung neuer Antibiotikaklassen konnte mit der Fähigkeit von Bakterien, Resistenzen gegen sie zu entwickeln, nicht mithalten.

Auch Bakterien mutieren, um Phagen zu widerstehen, aber im Gegensatz zu pharmazeutischen Antibiotika, die umfangreiche menschliche Anstrengungen erfordern, um ihre Struktur zu verbessern, können Phagen selbst mutieren und so neue bakterielle Abwehrkräfte bekämpfen. Wir leben mit einer enormen Anzahl von Phagen in unserem Körper, vielen Hundert Billionen. Clemons und andere Forscher auf diesem Gebiet hoffen, dass durch den Einsatz der richtigen Phagen zur richtigen Zeit zur Bekämpfung bakterieller Infektionen ein neues, haltbareres Antibiotikum entstehen könnte, das wir zunehmend benötigen, da wir mit antibiotikaresistenten Bakterien konfrontiert sind.