Das Trinken dieser Schüssel Gangeswasser kann superresistente Bakterien heilen?

Im Vergleich zu anderen, eher makroskopischen Spezies scheint das Schreiben über Viren von Anfang an ein aussichtsloser Kampf zu sein.

Im Vergleich zur langen Geschichte der biologischen Evolution ist die Geschichte der menschlichen Zivilisation und der naturgeschichtlichen Forschung zu kurz. Bakteriophagen sind eine spezielle Art von Viren und mit bloßem Auge oder einem optischen Mikroskop nicht zu erkennen. Erst mit der Erfindung des Elektronenmikroskops wurde es dem Menschen möglich, einen Blick auf das Gesamtbild zu werfen.

Transmissionselektronenmikroskopie des Enterobacteriaceae-Phagen T4. Bild: expasy.org

Wir finden weder literarische noch künstlerische Werke, die seine exquisite morphologische Struktur oder seinen genialen Reproduktionsmechanismus preisen, noch gibt es historische Persönlichkeiten, die Anekdoten darüber hinterlassen. Bis heute wissen wir nicht, wann und wo es seinen Ursprung hat. Sie existieren einfach still und leise in allen Teilen der Welt als loyale Partner der Menschheit in der molekularbiologischen und medizinischen Forschung.
Unzählige mysteriöse "Kreaturen"

Im Jahr 1896 entdeckte der britische Bakteriologe Ernest Hanbury Hankin, der in Indien Cholera erforschte, zufällig, dass das ungekochte Wasser des Ganges eine Substanz enthielt, die das Wachstum von Vibrio cholerae hemmen und so die Ausbreitung der Cholera-Epidemie eindämmen konnte. Nachfolgende Studien ergaben, dass die Substanz so winzig ist, dass sie durch keramische Bakterienfilter (die Poren haben, durch die Bakterien nicht gelangen können) gelangen kann.
Die Ufer des Ganges in Varanasi, Uttar Pradesh, Indien. Bild: wikimedia

Mehr als 20 Jahre später entdeckten der britische Bakteriologe Frederick Twort und der französische Mikrobiologe Félix d'Hérelle unabhängig voneinander eine winzige Substanz, die Bakterien abtöten konnte. Twort spekulierte, dass diese Substanz aus einem bestimmten bakteriellen Wachstumszyklus, einem von den Bakterien selbst abgesonderten Enzym oder einem Virus stammen könnte, das Bakterien infizieren könnte. Leider unterbrach der Ausbruch des Ersten Weltkriegs seine Forschungen. D'Hérelle hingegen war davon überzeugt, dass es sich bei dem Organismus, der seine Shigella-dysenteriae-Kultur aufgefressen hatte, um ein Virus handelte, das Bakterien parasitiert. In Anlehnung an das griechische Wort φαγεῖν (phagein, was „verschlingen“ bedeutet) nannte er diesen Virustyp Bakteriophage.

Twort (links) und d'Hérelle (rechts). Bild: wikimedia

Mittlerweile ist bekannt, dass Bakteriophagen eine Art von Viren sind, die Bakterien und Archaeen infizieren können. Sie bestehen aus Proteinen und Nukleinsäuren und können anhand ihrer morphologischen Struktur und Nukleinsäuretypen in 19 Familien unterteilt werden. Im Gegensatz zu anderen Organismenarten werden Viren nicht mithilfe der binären Nomenklatur benannt. Die Benennung von Pflanzen- und Tierviren erfolgt im Allgemeinen nach dem Format „Wirt + Krankheit + Virus“, wie etwa beim Tabakmosaikvirus (TMV) und beim Hunde-Parvovirus (CPV), während Bakteriophagen im Allgemeinen nach dem Format „Name des Wirtsbakteriums + Phage + Nummer“ benannt werden, wie etwa beim Enterobacteria-Phagen T4.

Das Tabakmosaikvirus war das erste vom Menschen identifizierte Virus. Bild: wikimedia

In den 1940er Jahren isolierte der amerikanische Genetiker Milislav Demerec eine Reihe von Bakteriophagen aus Abwasserproben aus der Kanalisation und nannte sie entsprechend ihrer Wirte und Plaque-Größe Bakteriophagen T1 bis T7. Unter ihnen gehört der Enterobacteriaceae-Phage T4 zur Familie der Myoviridae. Wie der Name schon sagt, kann T4 Escherichia coli aus der Familie der Enterobacteriaceae infizieren. *Plaques – leere Stellen, die sich aufgrund des Absterbens von Bakterien auf dem Kulturmedium bilden.

Plaques, die nach der Impfung mit Bakteriophagen auf Bakterienkulturen auftreten. Bild: Ninjatacoshell/wikimedia

In der buddhistischen Terminologie gibt es eine Redewendung namens „die Anzahl der Sandkörner im Ganges“, die sich auf die Anzahl der Dinge bezieht, die schwer zu zählen sind. Dies kann zur Beschreibung des Bakteriophagen verwendet werden, der erstmals im Ganges entdeckt wurde. Derzeit sind Bakteriophagen die am häufigsten vorkommende Spezies auf der Erde*. Sie kommen fast überall auf der Erde vor, wo es Bakterien gibt, und 70 % der Bakterien im Meerwasser enthalten Bakteriophagen. *Das Wesen eines Bakteriophagen ist ein Virus. Viren sind etwas ganz Besonderes und keine „Lebewesen“ im strengen Sinne. Wie allgemeine Lebensformen tragen sie genetisches Material (DNA oder RNA), können sich vermehren und durch natürliche Selektion weiterentwickeln, doch gleichzeitig fehlt ihnen die Zellstruktur, was ein wichtiger Grund dafür ist, dass sie von den „lebenden Organismen“ ausgeschlossen werden. Derzeit werden Viren als „Organismen am Rande des Lebens“ beschrieben.

Biologisch oder Nanoroboter?

Unter einem Elektronenmikroskop hat T4 die Form einer Kaulquappe, ist etwa 90 Nanometer breit und 200 Nanometer lang und besteht aus einem ellipsoiden Kopf und einem zylindrischen Schwanz. Die weitere Analyse seiner morphologischen Struktur und Verbreitungsmethode durch die Menschen hat T4 einen starken Science-Fiction-Charakter verliehen.
Der Kopf von T4, auch Kapsid genannt, ist ein längliches Ikosaeder, das aus 152 Proteinkapsidpartikeln besteht, die eine doppelsträngige lineare DNA einkapseln, die 289 Proteine ​​kodieren kann. Kopf und Schwanz sind durch einen Halsring verbunden. Der Schwanz ist eine hohle, röhrenförmige Struktur, die aus einem Schwanzrohr und einer äußeren Schwanzhülle, einer Grundplatte an der Unterseite, 6 mit der Grundplatte verbundenen Stacheln und 6 Schwanzfilamenten besteht. Diagramm der morphologischen Struktur und des Infektionsmusters des Bakteriophagen T4. Bild: Guido4 / wikimedia; Chinesische Übersetzung: Artenkalender

Der Prozess der Infektion von Escherichia coli durch T4 ähnelt einer Miniaturspritze: Nachdem das Protein auf der Schwanzfaser den Lipopolysaccharidrezeptor auf der Wirtszelle erkannt und daran gebunden hat, zieht sich die Schwanzscheide zusammen, das Schwanzrohr durchsticht die äußere Schicht der Bakterienzellwand und baut die innere Schicht der Zellwand unter der Einwirkung von Lysozym ab. Die im Kopf befindliche DNA kann dann ungehindert durch das Schwanzrohr in das Innere der Bakterien injiziert werden. Anschließend beginnt die Transkription der DNA in RNA, die Translation in Proteine ​​und die Massenproduktion der notwendigen Elemente zur Selbstreplikation für den Zusammenbau: Die leere Kapside wird zunächst in DNA eingewickelt, mit dem zusammengesetzten Schwanz kombiniert und schließlich mit der Schwanzfaser verbunden. Auf diese Weise wird eine ursprünglich gesunde E. coli-Zelle gekapert und in eine T4-„Montagefabrik“ umgewandelt. Unter der Einwirkung von Lysozym und Lipase stürzen die Wände der Montagefabrik schließlich ein und der freigesetzte Bakteriophage sucht weiter nach dem nächsten Opfer. Wir können immer noch nicht bestätigen, wann und wo sich Phagen entwickelt haben. Ihre hochentwickelte Struktur und ihr effizienter Infektions- und Verbreitungsprozess haben bei vielen Menschen zu dem Schluss geführt, dass sie überhaupt nicht wie irdische Lebewesen aussehen, sondern eher wie „Nanoroboter“, die von einer außerirdischen Zivilisation zurückgelassen wurden. Aus diesem Grund ist T4 auch in vielen Kunstwerken und Science-Fiction-Werken ein häufiger Gast. In der ersten Staffel der Animationsserie „Rick and Morty“ geht es in der Handlung um einen E. coli-Ausbruch, doch das Bild von „E. coli“ im Film ist in Wirklichkeit ein verzerrter und deformierter Bakteriophage. "Rick und Morty".

T4 hat eine einfache Struktur, lässt sich im Labor leicht züchten und ist für den menschlichen Körper unschädlich. Daher wird sie häufig als Modellspezies in molekularbiologischen und virologischen Experimenten verwendet. Viele Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin haben T4 als Forschungsmodell verwendet. So erhielten beispielsweise die Preisträger des Jahres 1969, Max Delbrück, Salvador Luria und Alfred Hershey, den Preis für ihre Entdeckung des Replikationsmechanismus und der genetischen Struktur von Viren. Drei Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin im Jahr 1969. Bild: nobelprize.org

Phagentherapie

Wenn Sie die wissenschaftlichen Nachrichten verfolgen, wissen Sie wahrscheinlich, dass Antibiotika gegen viele medikamentenresistente „Superkeime“ nicht mehr wirksam sind. Derzeit versuchen Forscher, Bakteriophagen als „neue“ Therapie zur Bekämpfung von Infektionen einzusetzen, und viele Phagenprodukte befinden sich bereits in der Phase klinischer Tests.
Tatsächlich ist die Phagentherapie nichts Neues. Bereits 1919 verwendete Félix d'Hérelle, der Entdecker der Phagen, aus Hühnerkot isolierte Phagen, um Salmonellen abzutöten und so Typhus bei Hühnern zu heilten. Im August desselben Jahres heilte er erfolgreich zwei Kinder mit Ruhr mithilfe von Phagen, die aus dem Stuhl genesener Ruhrpatienten isoliert wurden.
Unter einem Elektronenmikroskop infiziert eine Gruppe von Bakteriophagen ein Bakterium und ihre relative Größe ist deutlich sichtbar. Foto: Graham Beards/wikimedia

In den 1940er Jahren begann man mit der Massenproduktion und Kommerzialisierung von Antibiotika, allen voran Penicillin, wodurch die Phagentherapie allmählich in Vergessenheit geriet. Nur wenige Länder, vor allem die Sowjetunion, bestehen noch immer auf der Erforschung und Anwendung der Phagentherapie. Während des Zweiten Weltkriegs wurden Bakteriophagen zur Behandlung von Ruhr, Typhus und Gangrän bei sowjetischen Soldaten eingesetzt. Aufgrund des Mangels an Antibiotika entwickelte die neu gegründete Volksrepublik China mit Hilfe der Sowjetunion Bakteriophagenpräparate und heilte erfolgreich Fälle von Ruhr und Pseudomonas aeruginosa-Infektionen. Der auf wahren Begebenheiten basierende Film „Spring in the World“ erzählt die Geschichte des Einsatzes von Bakteriophagen zur Behandlung von Infektionen bei Brandverletzten. Seitdem sind durch den Missbrauch von Antibiotika „Superbakterien“ entstanden, die fast alle Antibiotika vertragen. Angesichts des Dilemmas fehlender verfügbarer Medikamente ist die Phagentherapie erneut in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Der Vorteil der Phagentherapie gegenüber Antibiotika liegt in ihrer hohen Spezifität: Sofern der richtige Phagenstamm gefunden wird, kann dieser nur die pathogenen Zielbakterien treffen, während Antibiotika sowohl nützliche als auch schädliche Bakterien in derselben Umgebung abtöten können. Beispielsweise tötet T4 nur E. coli ab, und in Studien wurden T4 und T5 zusammen verwendet, um eine Infektion mit hämorrhagischen E. coli O157:H7-Stämmen im Darm von Schafen unter Kontrolle zu bringen. Kulturen von enterohämorrhagischen E. coli O157:H7. Die meisten E. coli-Stämme sind nicht pathogen und nur wenige Stämme, wie beispielsweise O157:H7, können Darminfektionen verursachen. Bild: foodsafetycertification.ca

Allerdings ist die Phagentherapie nicht ohne Mängel. Sein enges Wirtsspektrum ist Vorteil und Schwäche zugleich. Ein Phagenstamm kann oft nur einen bestimmten Stamm eines bestimmten Bakteriums abtöten. Daher ist es auch eine große Herausforderung, einen entsprechenden Phagen zu finden, der den Zielpathogen bekämpfen kann. Angesichts komplexer Infektionssituationen wenden Forscher häufig einen „Cocktail-Vorgang“ an, bei dem sie mehrere Phagen mischen, um das Wirtsspektrum zu erweitern. Darüber hinaus können Bakteriophagen als von außen in den menschlichen Körper eingeführte Substanz bei manchen Menschen auch Immunreaktionen auslösen und Nebenwirkungen wie allergische Reaktionen hervorrufen. Noch eine Erinnerung: Obwohl die Phagentherapie vielversprechend ist und zur Behandlung hochresistenter Bakterien eingesetzt werden kann, ist es angesichts der starken Verschmutzung des Ganges am besten, das Wasser nicht abzulassen.