Bakteriophagen und archaeelle Viren als lebende Biozide

Ein Milliliter Meerwasser enthält rund zehn Millionen Viren, und fast keines davon infiziert Menschen, Pflanzen oder Tiere. Sie infizieren Mikroorganismen. Viren, die Bakterien befallen, heißen Bakteriophagen oder kurz Phagen, nach dem griechischen Wort für „Bakterienfresser“. Ihre Gegenstücke, die Archaeen infizieren, werden als archaeelle Viren bezeichnet. Allein in den Ozeanen töten sie täglich einen großen Teil der mikrobiellen Population, setzen dabei Nährstoffe frei und bestimmen mit, welche Arten sich durchsetzen. Für alle, die mit unerwünschten Mikroorganismen in Wassersystemen, Pipelines oder Reaktoren zu tun haben, macht diese Präzision sie als lebende Biozide interessant.

Phagen und archaeelle Viren im Überblick

Ein Virus ist ein Paket aus Erbinformation, DNA oder RNA, umgeben von einer Proteinhülle, dem Kapsid. Es hat keinen eigenen Stoffwechsel. Um sich zu vermehren, muss es an eine Wirtszelle andocken, sein Genom einschleusen und die Zellmaschinerie übernehmen.

Frederick Twort und Félix d’Hérelle entdeckten Phagen unabhängig voneinander in den Jahren 1915 und 1917. Archaeelle Viren wurden erst viel später entdeckt. Die meisten der bekannten wurden ab den 1980er Jahren aus heißen, sauren Quellen und hypersalinen Seen isoliert. David Prangishvili beschrieb viele der heute bekannten Familien archaeeller Viren, und sein Review „The enigmatic archaeal virosphere“ bietet bis heute einen guten Überblick über das Feld (Prangishvili et al., 2017). Patrick Forterre hat maßgeblich geprägt, wie die Forschung die Rolle von Viren in der Evolution versteht. Weniger als 100 archaeelle Viren sind im Detail charakterisiert, im Vergleich zu Tausenden von Phagen.

Das Wirtsspektrum ist meist eng. Ein Phage infiziert oft nur eine einzige Art, manchmal sogar nur wenige Stämme, weil die Fasern an seiner Schwanzspitze bestimmte Rezeptoren auf der Zelloberfläche erkennen. Diese Spezifität ist der wichtigste Unterschied zu chemischen Bioziden, die alles treffen, was in Reichweite ist.

Virusisolat mit langem, flexiblem Schwanz, der in Fasern zur Wirtserkennung endet

Lytischer und lysogener Lebenszyklus

Phagen verfolgen zwei Hauptstrategien, und manche können zwischen beiden wechseln.

• Lytischer Zyklus: Das Virus dringt ein, vermehrt sich sofort und baut neue Partikel zusammen, bis die Zelle platzt und Dutzende bis Hunderte Nachkommen freisetzt. Der Phage T4, der Escherichia coli infiziert, ist das klassische Beispiel.

  
  

• Lysogener Zyklus: Das Virusgenom integriert sich in das Wirtschromosom oder bleibt als Plasmid erhalten und wird bei jeder Zellteilung mitkopiert. Diese ruhende Form heißt Prophage. Stress wie DNA-Schäden kann den Wechsel in den lytischen Zyklus auslösen. Der Phage Lambda ist das Lehrbuchbeispiel.

  
  

• Chronische Infektion: Neue Partikel werden fortlaufend freigesetzt, ohne den Wirt zu töten, entweder durch Ausschleusung oder durch Knospung durch die Membran. Filamentöse Phagen wie M13 gehen so vor.

  
  

Phagen, die zur Lysogenie fähig sind, werden als temperent bezeichnet, solche, die ausschließlich lysieren, als virulent. Für Biozid-Anwendungen sind virulente Phagen die bessere Wahl. Ein temperenter Phage kann unbemerkt in seiner Zielzelle verharren und sogar Gene mitbringen, die den Wirt widerstandsfähiger machen. 

Archaeelle Viren tendieren eher zur chronischen Infektion. Viele etablieren langfristige, stabile Infektionen und verlassen ihren Wirt, ohne ihn zu lysieren. Susanne Erdmann erforscht solche Infektionen bei salzliebenden Archaeen, darunter ein Virus, das den Modellorganismus Haloferax volcanii chronisch infiziert, und untersucht, wie Wirte ihre Viren tolerieren oder abwehren. Einige archaeelle Viren lysieren ihren Wirt dennoch, und zwar über Austrittswege, die es sonst nirgends gibt. Das Sulfolobus islandicus rod-shaped virus 2 (SIRV2) bildet siebenseitige Pyramiden auf der Zelloberfläche, die sich wie Blütenblätter nach außen öffnen und neue Partikel freisetzen. Tessa Quax beschrieb, wie diese Strukturen entstehen und sich öffnen (Quax et al., 2011), und Bertram Daum entschlüsselte ihren Aufbau mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Daum et al., 2014).

Virusisolat mit kantigem Kapsid und langem, flexiblem Schwanz, aufgereinigt über einen CsCl-Gradiente

Ungewöhnliche Formen

Die meisten bekannten Phagen folgen einem gemeinsamen Grundbauplan: einem Kapsid, das das Genom enthält, und einem Schwanz, der es in den Wirt einschleust. Innerhalb dieses Bauplans ist die Vielfalt beträchtlich. Kapside reichen von rundlich bis scharfkantig, und unter dem Elektronenmikroskop zeigt sich die ikosaedrische Geometrie oft als deutlicher sechseckiger Umriss. Schwänze können kurz und gerade oder um ein Vielfaches länger als der Kopf sein. Manche sind starr und kontraktil und dringen wie eine Spritze in die Zelle ein, andere sind lang und flexibel. Einige Phagen haben gar keinen Schwanz. phiX174 ist ein schlichtes Ikosaeder, M13 ein langes, dünnes Filament.

Virusisolat mit deutlich sechseckigem, ikosaedrischem Kapsid und kurzem, geradem Schwanz

Archaeelle Viren gehen noch viel weiter. Mehrere Familien haben Formen, die sonst nirgends in der Welt der Viren vorkommen:

• Spindel- oder zitronenförmige Viren wie SSV1 aus Saccharolobus (früher Sulfolobus)

  
  

• Das flaschenförmige Acidianus bottle-shaped virus (ABV)

  
  

• Tropfenförmige Viren der Familie Guttaviridae

  
  

• Das Acidianus two-tailed virus (ATV), das seinen Wirt als schwanzlose Zitronenform verlässt und erst außerhalb der Zelle bei etwa 75 bis 90 °C zwei Schwänze ausbildet, ganz ohne Beteiligung eines Wirts

  
  

• Spiralförmige Viren der Familie Spiraviridae

  
  

Mart Krupovic hat einen Großteil der Arbeit zur Klassifizierung dieser Viren geleitet und ihre evolutionären Verbindungen zu Viren von Bakterien und Eukaryoten nachgezeichnet. Viele ihrer Wirte leben nahe dem Siedepunkt bei pH-Werten von 2 bis 3, daher müssen die Partikel zwischen zwei Infektionen unter extremen Bedingungen intakt bleiben.

Die Frage nach dem Leben

Ob Viren leben, hängt von der Definition ab, und eine allgemein anerkannte gibt es nicht. Lehrbücher nennen meist Stoffwechsel, Wachstum, Fortpflanzung, Reaktion auf die Umwelt und Evolution. Eine Arbeitsdefinition der NASA beschreibt Leben als ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das zur darwinschen Evolution fähig ist.

Viren erfüllen einige dieser Kriterien, andere nicht. Sie tragen Gene, mutieren und entwickeln sich unter Selektionsdruck weiter. Sie können jedoch weder Energie gewinnen noch Proteine synthetisieren oder sich außerhalb einer Zelle vermehren. Für sich genommen ist ein Phagenpartikel inert.

Einige Forschende halten das Partikel für die falsche Bezugsgröße. Im „Virocell“-Konzept von Patrick Forterre wird eine infizierte Zelle zu einer anderen Art von Organismus, dessen Zweck die Produktion von Viren ist, und diese Virocell ist eindeutig lebendig. Riesenviren, deren Genome größer sind als die mancher Bakterien, und Virophagen, die diese parasitieren, verwischen die Grenze zusätzlich. Für die Praxis passt der Begriff „lebendes Biozid“ gut. Phagen vermehren sich dort, wo ihr Ziel vorhanden ist, und verschwinden, sobald es fehlt.

Biotechnologische Anwendungen

Die bekannteste Anwendung ist die Phagentherapie. Angesichts zunehmender Antibiotikaresistenzen werden Phagen wieder gegen Infektionen getestet, die nicht mehr auf Medikamente ansprechen. In den meisten westlichen Ländern geschieht das im Einzelfall im Rahmen individueller Heilversuche (Compassionate Use), während Georgien und Polen Phagen seit Jahrzehnten klinisch einsetzen. Andere Anwendungen sind bereits etabliert:

• Lebensmittelsicherheit: Phagenpräparate gegen Listeria monocytogenes und Salmonella sind in den USA für den Einsatz auf Lebensmitteln zugelassen

  
  

• Landwirtschaft und Aquakultur: Bekämpfung von Pflanzenpathogenen und Fischkrankheiten

  
  

• Molekulare Werkzeuge: Das Phagen-Display, 2018 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt, wird zur Entwicklung therapeutischer Antikörper genutzt

  
  

• Genomeditierung: CRISPR-Cas-Systeme wurden zunächst als Abwehrmechanismen von Bakterien und Archaeen gegen Viren erkannt, bevor sie zu Werkzeugen der Genomeditierung wurden

  
  

In der Industrie werden Phagen als gezielte Alternative zur chemischen Biozidbehandlung untersucht. Sulfatreduzierende Bakterien wie Desulfovibrio verursachen in Öl- und Gassystemen Souring, also die Anreicherung von Schwefelwasserstoff, sowie mikrobiell beeinflusste Korrosion. Laborstudien haben gezeigt, dass Phagen ihre Zahl und ihre Schwefelwasserstoffproduktion senken können. Phagen können zudem in Biofilme eindringen, und manche kodieren Enzyme, die die Matrix abbauen, welche die Zellen zusammenhält.

Archaeelle Viren stehen noch am Anfang. Diskutiert werden etwa die Kontrolle methanbildender Archaeen im Verdauungstrakt von Nutztieren und die Nutzung ihrer sehr stabilen Kapside als Gerüst für Nanomaterialien.

Es gibt allerdings klare Grenzen. Durch das enge Wirtsspektrum wirkt ein Phage nur gegen den Organismus, auf den er abgestimmt ist, Bakterien entwickeln Resistenzen, und Faktoren wie Temperatur, Salzgehalt und pH-Wert beeinflussen, wie lange Phagen aktiv bleiben. Jede Anwendung beginnt damit, genau zu wissen, welche Mikroorganismen vorhanden sind, und anschließend die Zielwirte zu isolieren, damit geeignete Viren gegen sie getestet werden können.

Fazit

Bakteriophagen und archaeelle Viren sind die häufigsten biologischen Einheiten der Erde und zählen zu den spezifischsten Räubern von Mikroorganismen. Ihre Lebenszyklen und Formen werden noch erforscht, besonders in extremen Lebensräumen. Gerade diese Spezifität ist ihre größte Einschränkung und zugleich der Grund, warum es sich lohnt, sie als lebende Biozide weiterzuentwickeln.