Wie Phagen jagen

Bakterientötende Viren im Sekret der Schleimhäute bewegen sich nicht allein durch Diffusion, sondern heften sich vorübergehend an Schleimproteine an und erhöhen dadurch ihren Jagderfolg
Die Diffusion markierter Phagen im Schleim wird durch vorübergehende Bindung an Schleimproteine unterbrochen.
Die Diffusion markierter Phagen im Schleim wird durch vorübergehende Bindung an Schleimproteine unterbrochen.
© Steven Giles
San Diego (USA) - Bestimmte Viren unterstützen das Immunsystem bei der Abwehr bakterieller Krankheitserreger. Diese Bakteriophagen – auch Phagen genannt – machen unter anderem im Schleim der Schleimhäute Jagd auf Mikroben. Zwar können sich die Viren nicht aktiv bewegen und gezielt ihre Beute aufspüren. Sie verlassen sich aber auch nicht nur auf die Zufallsbewegung durch Diffusion, berichten amerikanische Biologen. Die Phagen erhöhen ihre Erfolgsquote bei der Jagd nach Bakterien, indem sie sich immer wieder kurzzeitig an Proteine des Schleims anheften. Diese Jagdtechnik könnte durch gentechnische Veränderungen noch optimiert werden, um beispielsweise Schleimhautinfektionen bei Mukoviszidose mit einer Phagentherapie besser behandeln zu können, schreiben die Forscher im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)”.

Bei geringer Bakteriendichte oder einer Vielzahl unterschiedlicher Bakterienarten ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass allein durch passive Diffusion ein Phage auf seine Beute trifft. „Unter diesen Bedingungen ist eine ‚subdiffusive’ Bewegung vorteilhafter: länger an einem Ort bleiben und so mehr Zeit haben, die Beute zu finden“, erklärt Jeremy Barr von der San Diego State University. Mit Hilfe eines speziellen Biochips – ein miniaturisiertes System der Zellkultivierung – hat sein Forscherteam erstmals die Bewegung von Phagen im Schleim sichtbar gemacht. Das winzige Kulturgefäß enthielt menschliche Lungenzellen, die ständig Schleim produzierten, der dann mit der durchströmenden Nährlösung abtransportiert wurde. In diese Kultur gaben die Biologen E. coli-Bakterien und T4-Phagen, die die Bakterien befallen und töten. Die Phagen waren mit Goldpartikel markiert, so dass ihre Ortsveränderungen mit einem Spezialmikroskop verfolgt werden konnten.

Die so beobachtete Art der Bewegung war keine passive Diffusion, die der Brownschen Bewegung mikroskopisch kleiner Partikel entsprach. Die Viren zeigten vielmehr ein ruckartiges Bewegungsmuster. Das entstand dadurch, dass sich die Phagen immer wieder über das sogenannte Hoc-Protein in der Virushülle vorübergehend an Schleimproteine anhefteten, die ständig von den Zellen nach außen abgegeben wurden. Im Gegensatz dazu war bei genetisch veränderten T4-Phagen ohne Hoc-Protein nur eine Zufallsbewegung aufgrund von Diffusion zu beobachten. Beide Phagentypen unterschieden sich deutlich im Jagderfolg: Durch die Fähigkeit, die passive Bewegung durch Anheften zu unterbrechen, verstärkte sich die Dezimierung der Bakterienzahl im Schleim um mehr als das 4000-Fache. Bei sehr hohen Bakterienkonzentrationen verringerte sich der Effekt.

Diese Ergebnisse seien wichtig für die Entwicklung einer effektiven Phagentherapie, bei der anstelle von Antibiotika Phagen eingesetzt werden, um Bakterien abzutöten, schreiben die Forscher. Das wäre beispielsweise eine alternative Form der Behandlung von Infektionen der Atemwege durch resistente Erreger bei Mukoviszidose-Patienten.

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