Zu verstehen,wie sich Bakterien gegen Viren verteidigen, könnte den Weg für neue Behandlungen bakterieller Infektionen ebnen
Bakterien können sich gegen eine Infektion durch Bakteriophagen verteidigen, indem sie ein adaptives Immunsystem namens CRISPR-Cas verwenden. Dieses Immunsystem wurde erst im letzten Jahrzehnt entdeckt und ist in etwa der Hälfte der Bakterienarten vorhanden, die wir bisher kennen. CRISPR-Cas funktioniert durch den Einbau von kleinen DNA-Stücken (sogenannte „Spacer“), die aus dem infizierenden Phagen entnommen werden, in eine spezifische Stelle des bakteriellen Genoms, den sogenannten CRISPR-Locus. Ein Phage, der die gleiche Sequenz trägt, wird von CRISPR-Cas erkannt und zerstört. Dies stellt sicher, dass das Bakterium nun durch sein CRISPR-Cas-System gegen diesen Phagen immun ist. Es ist jedoch nicht viel darüber bekannt, wie sich Phagen mit diesem Immunsystem zusammen entwickeln. Dr. Stineke van Houte, Leiterin des EU-geförderten PHAGECOM-Projekts, erklärt: „Die rasche Entwicklung der CRISPR-Cas-Immunität könnte ein sehr reelles Problem der Phagentherapie sein. Deshalb ist es sehr wichtig zu verstehen, wie sich CRISPR-Cas-Immunität primär entwickelt und wie Phagen mit CRISPR-Cas umgehen, um Phagentherapien zu entwickeln und zu optimieren und die Grenzen dieser Therapien zu bewerten.“ Ein „evolutionäres Wettrüsten“ Ein Bereich, in dem Phagen finanzielle Konsequenzen haben können, ist die Milchindustrie, wo sich Joghurt produzierende Bakterien infizieren können. Ein Einblick in die Art und Weise, wie diese beiden miteinander reagieren, könnte bei der Entwicklung von Strategien zur Bekämpfung von Phageninfektionen in der Milchindustrie helfen und die Entwicklung einer besseren Phagentherapie zur Behandlung von bakteriellen Infektionen beim Menschen unterstützen. Eine nähere Untersuchung ergab eine Überraschung, erklärt Dr. van Houte: „Unsere erste Hypothese war, dass wir eine umfassende Co-Evolution zwischen Bakterien und Phagen sehen würden. Die Arbeit, die ich während dieses Projekts durchführte, zeigte jedoch, dass Bakterien die Phagen innerhalb nur weniger Tage nach dem Beginn der Infektion aussterben lassen, so dass sie sich überhaupt nicht entwickeln.“ Jedes CRISPR-resistente Bakterium in einer Population hat einen anderen Spacer in seinen CRISPR-Locus eingebaut, wie oben beschrieben wurde. Dies verhindert, dass der Phage Mutationen entwickelt, die es ihm normalerweise erlauben würden, einen einzelnen Spacer zu überwinden, und dies führt zur Auslöschung des Phagen. Anti-CRISPR-Gene auf Phagengenomen können dies jedoch ändern. Anti-CRISPR-Gene codieren kleine Proteine, die CRISPR-Cas-Systeme blockieren. Diese Arbeit hat gezeigt, dass Phagen, die Anti-CRISPR tragen, CRISPR-Cas nicht überwinden können, wenn die Phagen alleine arbeiten, aber wenn mehrere Phagen zusammenarbeiten, können sie CRISPR-Cas besiegen. Unerwartete Erkenntnisse Folgende zwei Entdeckungen waren die Haupterkenntnisse des Projekts. „Die erste Erkenntnis kam unerwartet, da auf der Grundlage des Wissens über die molekularen Wechselwirkungen zwischen CRISPR-Cas und Phagen-DNA die Forscher davon ausgingen, dass sich Bakterien und Phagen weitgehend gemeinsam entwickeln. Die zweite Erkenntnis ist meiner Meinung nach wichtig, da sie erste Einblicke in die Folgen von Anti-CRISPR für ihre Phagen und die von ihnen infizierten Bakterien gibt“, erklärt Dr. van Houte. Neben dem Schutz vor Phageninfektionen kann CRISPR-Cas auch gegen andere genetische Parasiten wie Plasmide schützen, bei denen es sich um kreisförmige Stücke „egoistischer“ DNA handelt, die sich zwischen Bakterien ausbreiten kann. Ein Teil des PHAGECOM-Projekts untersuchte die Frage, ob CRISPR-Cas-Systeme Plasmide aus einer mikrobiellen Gemeinschaft entfernen können. Wie Dr. van Houte erklärt, ist dies nicht nur aus fundamentaler wissenschaftlicher Sicht interessant, sondern könnte auch wichtige Anwendungen haben. Viele der Probleme, mit denen wir derzeit bei arzneimittelresistenten Bakterien konfrontiert sind, gehen auf die Verbreitung antimikrobieller Resistenzen (AMR) durch Plasmide zurück, die zwischen Bakterien übertragen werden. „Wenn wir eine Strategie entwerfen könnten, um CRISPR-Cas-Systeme an eine mikrobielle Gemeinschaft mit AMR-Genen zu liefern (z. B. im Darm eines Patienten mit wiederkehrenden Infektionen mit pathogenen Bakterien), könnte dies den Weg zu neuen Technologien zur Senkung der AMR-Werte weisen, und damit würde eine erneute Sensibilisierung gegen Antibiotika ermöglicht werden.“ Die Projektergebnisse tragen zum Verständnis bei, wie Phagen mit CRISPR-resistenten bakteriellen Wirten interagieren. „Dies ist für verschiedene Anwendungen wichtig, aber eine, die sich hervorhebt, ist die Phagentherapie. Immer mehr Leute erkennen, dass Phagen eine äußerst wirksame Methode zur Kontrolle von bakteriellen Infektionen sein können, besonders dort, wo Antibiotika nichts mehr nützen“, sagt Dr. Stineke van Houte.
Schlüsselbegriffe
PHAGECOM, CRISPR-Cas, Phagen, Bakteriophagen, Milchprodukte, Bakterien, Co-Evolution, Phagentherapie, Anti-CRISPR, antimikrobielle Resistenz
