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Bakteriophagen

Tausende Virenarten der Darmflora entdeckt

Künstlerische Darstellung von Phagen, die eine Bakterie befallen. (Bild: peterschreiber.media/iStock)

Die Lebenswelt in unserem Darm ist noch komplexer, als man meinen könnte, verdeutlicht eine Studie: Es wimmelt dort nicht nur von Bakterien, sondern auch von den Viren, die diese befallen. Durch genetische Analysen haben Forscher Tausende von neuen Vertretern dieser sogenannten Bakteriophagen identifiziert. Die Ergebnisse bilden nun die Grundlage für eine Datenbank zu den Darmflora-Viren, die der Erforschung ihrer Rolle für die menschliche Gesundheit dienen soll.

Immer mehr rückt der Lebensraum Darm in den Fokus der Wissenschaft: Die Bakterien, die unseren Verdauungstrakt besiedeln, haben sich in den letzten Jahren als Drahtzieher unserer Gesundheit erwiesen. Die Zusammensetzung dieser Mikrobengemeinschaft beeinflusst das Immunsystem, den Stoffwechsel und viele weitere Aspekte der Gesundheit. Die Merkmale der Darmflora eines Menschen werden dabei von verschiedenen Faktoren bestimmt. Einer ist bisher jedoch vergleichsweise wenig erforscht geblieben: der Einfluss von Krankheitserregern der Darmbakterien. Denn so wie Coronavirus und Co uns infizieren, haben es bestimmte Viren auch auf die Mikroben abgesehen. Sie werden Bakteriophagen – „Bakterienfresser“ – genannt.

Winzlinge, die Zwerge befallen

Wie alle Viren sind auch sie „Piraten des Lebens“: Sie betreiben keinen eigenen Stoffwechsel, sondern machen sich die Lebenskraft ihrer Wirtszellen zunutze. Viele Bakteriophagen besitzen beinartige Strukturen, durch die sie sich an die Oberfläche der Bakterien anheften können. Anschließend schleusen sie das in einem Kopfteil gelagerte Erbgut in die Zellen ein. Dadurch verwandeln sie diese in Viren-Fabriken, die bis zum Kollaps neue Partikel produzieren. Anschließend machen sich die freigesetzten Bakteriophagen dann auf die Reise zu neuen Opfern. Auf diese Weise können sie die Populationen von Bakterien stark beeinflussen und auch zur Entwicklung von genetischen Veränderungen beitragen. Es gibt sogar bereits Ansätze, auf bestimmte Bakterien spezialisierte Phagen gezielt zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten einzusetzen.

Dass auch die harmlosen oder „freundlichen“ Bakterien des menschlichen Darms von bestimmten Phagenarten befallen werden, ist grundsätzlich bereits lange bekannt. „Das Ausmaß der viralen Diversität im menschlichen Darm ist jedoch weitgehend unklar geblieben“, schreibt das Forscherteam unter der Leitung des Wellcome Sanger Institute in Hinxton. Deshalb haben die Wissenschaftler nun die virale Artenvielfalt mithilfe der Metagenomik systematisch ausgelotet. Diese Technik vergleichender DNA-Analysen ermöglichte es, in den genetischen Daten von über 28.000 Proben menschlicher Darmflora und von knapp 3000 Genomen von Bakterienisolaten nach den viralen Erregern zu stöbern.

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Es wimmelt

Wie die Wissenschaftler berichten, identifizierten sie insgesamt rund 140.000 virale Spezies, die im menschlichen Darm vorkommen, von denen mehr als die Hälfte noch völlig unbekannt war. Darunter sind auch Viren, die offenbar eine spezielle gemeinsame Entwicklungsgeschichte besitzen. Die Wissenschaftler haben dieser Gruppe nun die Bezeichnung „Gubaphagen“ gegeben. Sie haben festgestellt, dass deren Vertreter nach den sogenannten crAssphagen die zweithäufigsten Viren im menschlichen Darm darstellen. Es ist nun eine offene Frage, welche Rolle die neu entdeckten Gubaphagen in der Lebenswelt des Darms spielen.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie viele unbekannte Arten in unserem Darm leben, und zu versuchen, die Verbindung zwischen ihnen und der menschlichen Gesundheit zu entschlüsseln“, sagt Co-Autor Alexandre Almeida vom Wellcome Sanger Institute. „Dabei ist wichtig zu betonen, dass nicht alle diese Viren unbedingt problematisch sind, sondern einen integralen Bestandteil des Ökosystems Darm darstellen. Deutlich wird dies auch dadurch, dass die Proben hauptsächlich von gesunden Personen stammten, die keine spezifischen Krankheiten aufweisen“, sagt der Wissenschaftler.

Die Forscher haben die Informationen zu den über 140.000 Bakteriophagen nun auch als Grundlage zur Entwicklung einer neuen Datenbank für die Wissenschaft genutzt: Sie präsentieren die öffentlich zugängliche „Gut Phage Database“. Die enthaltenen Genome können nun Wissenschaftlern dazu dienen, die Bedeutung der „Bakterienfresser“ für die Mikroben in uns und damit für unsere Gesundheit zu erforschen. „Ein wichtiger Aspekt unserer Arbeit war es deshalb sicherzustellen, dass die rekonstruierten viralen Genome von höchster Qualität sind“, sagt Erstautor Camarillo-Guerrero vom Wellcome Sanger Institute. Sein Kollege Trevor Lawley sagt dazu abschließend: „Der neue Katalog zu den Viren im menschlichen Darm kommt zum richtigen Zeitpunkt, um als Orientierung in zukünftigen Studien zu dienen.“

Quelle: Wellcome Sanger Institute, Fachartikel: Cell, doi: 10.1016/j.cell.2021.01.029

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