mini|Viruspartikel von Bacillus-Phage Gamma, Isolat d’Herelle, aus der Gattung Wbetavirus (alias Wbetalikevirus)Bacillus phage Gamma (species). NCBI.Daniel Bojar: Nützliche Bakterienkiller. spektrum.de – Spektrum der Wissenschaft, Juni 2020, S. 40–45. im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) nach Negativkontrastierung
Als Bakteriophagen oder kurz Phagen (Singular Phage, der; von ‚Stäbchen‘ und phageín ‚fressen‘) bezeichnet man herkömmlicherweise verschiedene Gruppen von Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind, d. h. Bakterienviren.SIB: Viruses infecting bacteria. ViralZone. Herkömmlicherweise werden die Bakterienviren (Bakteriophagen) entsprechend ihrer Wirtsspezifität in verschiedene Gruppen klassifiziert, zum Beispiel in Coli-, Staphylokokken-, Diphtherie- oder Salmonella-Bakteriophagen (oder -viren). Mit einer geschätzten Anzahl von 1030 Virionen im gesamten Meerwasser sind Bakterienviren häufiger als jede Art zellulärer Lebewesen und bilden zusammen mit Viren der Archaeen und Protisten (mikrobiellen Eukaryoten) das sogenannte Virioplankton; zu ihnen zählen insbesondere viele Cyanophagen (Viren der Cyanobakterien).
Traditionell wurden (und werden) auch die Viren der Archaeen (Archaeenviren, en. ) gelegentlich noch als Phagen oder Bakteriophagen bezeichnet, was eine Reminiszenz an die frühen 1970er Jahre ist, als Archaeen noch nicht von Bakterien unterschieden wurden. Seinerzeit wurden besonders Viren mit charakteristischer Kopf-Schwanz-Struktur (Caudoviren, heute Klasse Caudoviricetes) erforscht. Diese infizieren zum Teil Bakterien und zum Teil Archaeen, und man bezeichnete sie kurz als „Phagen“. Zudem wurden die Archaeen anfänglich noch als „Archaebakterien“ bezeichnet, weshalb die Archaeenviren sich zunächst weiterhin als „Bakteriophagen“ bezeichnen ließen.
Viren (d. h. die Viruspartikel) besitzen keinen eigenen Stoffwechsel, sondern „leihen“ diesen und Teile des Replikationsmechanismus von ihren Wirten „aus“, um sich genetisch mittels ihrer DNS (oder RNS) zu vermehren („replizieren“). Sie werden daher (von den meisten Autoren) nicht als Lebewesen (im eigentlichen Sinne) angesehen, aber von einigen Wissenschaftlern als „dem Leben nahe“ bezeichnet. Die meisten Bakterienviren (insbesondere die Caudoviren) besitzen, wie zelluläre Organismen, ein dsDNA-Genom (linear oder zirkulär), es gibt aber auch Beispiele für andere Genomorganisationen (ssDNA, und RNA).
Geschichte Die Wirkung von Bakterienviren („Phagen“) wurde im Jahr 1917 von dem Frankokanadier Félix Hubert d’Hérelle erstmals beschrieben. Zwar hatte der Engländer Frederick Twort bereits zwei Jahre zuvor an Staphylokokken-Kulturen Zersetzungsprozesse beobachtet, die auf die Einwirkung von Bakteriophagen zurückzuführen sind, jedoch wurde seine Veröffentlichung praktisch nicht beachtet. D’Hérelle gilt somit neben Frederick Twort als einer der Entdecker der Bakteriophagen, den sogenannten „Bakterienfressern“. Ihren Namen verdanken sie d’Hérelle. Parallel zu d’Hérelle postulierte der deutsche Mikrobiologe Philalethes Kuhn aufgrund von Beobachtungen der Veränderungen von Bakterienkulturen unter bestimmten Bedingungen die Existenz von Bakterienparasiten. Er bezeichnete diese als Pettenkoferien und sah die von d’Hérelle beschriebene „unsichtbare, dem Ruhrbazillus entgegenwirkende Mikrobe“ als Sonderfall dieser Parasiten an. Wie sich später herausstellte, beruhten seine Beobachtungen jedoch nicht auf der Existenz eines Bakterienparasiten, sondern lediglich auf Formveränderungen der von ihm untersuchten Bakterien.
D’Hérelle stellte sich einen Bakteriophagen als ein „ultravisibles, korpuskulares Lebewesen“ vor, das in einer Grundform existiere und sich an verschiedene Wirte – also Bakterien – anpasse. Tatsächlich sind Bakteriophagen nach heutigem Wissensstand hochspezialisierte Viren, die an einen spezifischen Wirt gebunden sind. Auch wenn in diesem Kontext von Wirten die Rede ist, sind nach heutiger Definition Bakteriophagen, da sie als Viren keine Lebewesen sind, keine Parasiten. Die ersten Phagen, die untersucht wurden, waren sieben Phagen des Bakteriums Escherichia coli. Sie wurden von Max Delbrück in der Reihenfolge ihrer Entdeckung als Typ () 1 (T1), Typ 2 (T2) und so weiter benannt. Die aktuelle taxonomische Einordnung dieser Phagenstämme nach ICTV mit Spezies und Familie ist wie folgt:
T1: Escherichia-Phage T1: Spezies Tunavirus T1 (Escherichia-Virus T1), Drexlerviridae, Siphoviren T2: Escherichia-Phage T2: Spezies Tequatrovirus T2 (Escherichia-Virus T2), Straboviridae, Myoviren T3: Enterobacteria phage T3: Spezies Teetrevirus T3 (Enterobacteria-Virus T3), Autographiviridae, Podoviren T4: Escherichia-Phage T4: Spezies Tequatrovirus T4 (Escherichia-Virus T4), Straboviridae, Myoviren T5: Escherichia-Phage T5: Spezies Tequintavirus T5 (Escherichia-Virus T5), Demerecviridae, Siphoviren T6: Enterobacteria-Phage T6: Spezies Tequatrovirus T6 (Enterobacteria-Virus T6), Straboviridae, Myoviren T7: Escherichia-Phage T7: Spezies Teseptimavirus T7 (Escherichia-Virus T7), Autographiviridae, Podoviren
Diese sieben Escherichia-Phagen (echte Bakterienviren) werden manchmal unter der Sammelbezeichnung „T-Phagen“ () zusammengefasst,T-Phages. NCBI.Rolf Sauermost, Doris Freudig et al.: T-Phagen. In: Lexikon der Biologie, Spektrum.de; abgerufen am 31. Januar 2021. Die Familienzuordnungen entsprechen nicht mehr den aktuellen Stand nach ICTV. was aber keine Verwandtschaftsgruppe (Taxon) darstellt. Stattdessen werden diese Viren vom ICTV (mit Stand Januar 2021) nach einigen Verschiebungen den oben angegebenen Familien zugeordnet. Lediglich die Vertreter mit gerader Typ-Nummer ( mit T2, T4 – Referenz – und T6) erwiesen sich zufällig als näher miteinander verwandt, so dass für diese vom ICTV zunächst eine gemeinsame Spezies als Taxon eingerichtet wurde (inzwischen aber aufgetrennt). Die Typen mit ungerader Nummer () bilden sowieso kein Taxon. Allerdings ist allen diesen Phagentypen ein Kopf-Schwanz-Aufbau gemeinsam, weshalb sie früher in einer morphologisch begründeten Ordnung Caudovirales zusammengefasst wurden, welche die drei Morphotypen Myo-, Sipho- und Podoviren zunächst jeweils als taxonomische Familien umfasste. Diese ursprüngliche Ordnung wurde inzwischen aufgrund der genomischen Diversität zur Klasse Caudoviricetes hochgestuft. Von anderen Autoren wurde die Gepflogenheit bei der Benennung anderer Caudoviren teilweise weitergeführt (z. B. „T12“, Vorschlag, ohne Familienzuordnung).
Aufbau mini|hochkant=1.3|Morphotypen verschiedener Bakteriophagen, angepasst nach Ackermann, 2005 mini|hochkant=1.3|Bakteriophagenstruktur (Phage T4, Myoviren):1 Kopf2 Schwanz3 Nukleinsäure (DNA)4 Kapsid5 Kragen6 Scheide7 Schwanzfiber8 Spikes9 Basisplatte
Die Gestalt der Bakterienviren mit Kopf-Schwanz-Struktur (Caudoviren, Klasse Caudoviricetes) wurde vorwiegend an den Bakteriophagen der T-Reihe (T-Serie) von Escherichia coli aufgeklärt. Der Bakteriophage T2 besteht aus einem polyedrischen Kopf von 100 nm Länge, an dem ein etwa gleich langer Schwanz sitzt. Viren werden taxonomisch in erster Linie nach ihrem Genom-Aufbau, und nachrangig nach ihrer Morphologie und ihrem Wirt eingeteilt. So unterscheidet man DNA-Viren mit einzelsträngiger DNA, sogenannte ssDNA-Viren (von engl. ), und solche mit doppelsträngiger DNA, sogenannte dsDNA-Viren (von engl. ). Die hier exemplarisch behandelten Escherichia coli-Viren der T-Reihe werden zu letzterer Gruppe gezählt.
Die oben bereits erwähnten T-Phagen (wie z. B. die Gattung Tequattrovirus mit der Spezies Escherichia-Virus T4) zeichnen sich zusammen mit anderen Mitgliedern der Klasse Caudoviricetes gegenüber sonstigen Bakteriophagen durch einen relativ komplexen Aufbau mit „Kopf-Schwanz-Struktur“ aus: Grundlegend setzen sie sich aus einer Grundplatte (9), einem Einspritzapparat (Injektionsapparat oder Schwanz, 2) und einem Kopf (1), bestehend aus dem so genannten Kapsid (4) und der darin enthaltenen Nukleinsäure (Genom, 3), zusammen. Die Module Kopf und Einspritzapparat/Schwanz sind durch einen Hals (Collar, 5) verbunden. Die Grundplatte (die wie Kapsid und Injektionsapparat aus Proteinen aufgebaut ist) ist mit Schwanzfibern (7) und Spikes (8) besetzt, die der Adsorption auf der Wirtszellwand dienen. Der Injektionsapparat besteht aus einem dünnen Rohr (Schwanzrohr, 6), durch das die Phagen-Nukleinsäure (3) in die Wirtszelle injiziert wird. Das Rohr wird von einer kontraktilen Schwanzscheide umhüllt, die sich während der Injektion zusammenzieht. Das Kapsid ist mit ikosaedrischer Symmetrie aus 152 Kapsomeren aufgebaut und enthält die DNA des Phagen. Aufgrund dieses Aufbaus zählen die Phagen der Gattung Tequattrovirus (Morphotyp Myoviren) zu den strukturell komplexesten Viren.
mini|hochkant=1.3|Aufbau und Infektionszyklus von Phage T4.
Phagen mit einzelsträngiger DNA sind dagegen meist klein, sphärisch und schwanzlos (Microviridae) oder filamentös (Tubulavirales). Die ebenfalls auftretenden RNA-Phagen bestehen meist (soweit bis zu diesem Zeitpunkt beschrieben) aus einer Proteinhülle, die ein einsträngiges RNA-Molekül umschließt. Der Durchmesser dieser Phagen beträgt etwa 25 nm, sie gehören also zu den kleinsten Phagen.
Vermehrung mini|Der lytische (A) und lysogene (B) Zyklus zur Phagenvermehrung. mini|Die einzelnen Phasen, wie der Clostridioides-Phage φCD508 (Siphoviren) seinen Wirt C. difficile infiziert.
Viren benötigen mangels eines eigenen Stoffwechsels zur Reproduktion einen Wirt, im Falle der Bakteriophagen eine geeignete, lebende Bakterienzelle. Die Reproduktion lässt sich in fünf Phasen gliedern:
Adsorption an spezifische Zellwandrezeptoren: Bei der Adsorption koppeln die Enden der Schwanzfasern an passende Moleküle (Rezeptoren) der Oberfläche des Bakteriums. Injektion der Phagen-Nukleinsäure in die Wirtszelle: Die phageneigene Nukleinsäure, DNA bzw. RNA, gelangt in das Bakterium. Die nun funktionslosen Proteine der leeren Phagenhülle bleiben außen auf der Oberfläche des Bakteriums zurück. Latenzphase: Während dieser Phase lassen sich im Bakterium keine Phagen nachweisen. Nun beginnt die Transkription des Virusgenoms, die Translation der viralen mRNA und die Replikation der Virusnukleinsäure. Dieser Vorgang dauert maximal einige Stunden. Produktionsphase: Nachdem die Phagengene in einer festgelegten Reihenfolge aktiv geworden sind, werden alle Virusbestandteile, Hüllproteine und Schwanzfasern, gebildet. Reifephase: In dieser Phase der Morphogenese erfolgt der Zusammenbau (assembly) zu reifen Phagenpartikeln. Zunächst wird ein Kopfteil, das Kapsid, gebildet. Die Proteine im Innern dienen als Platzhalter und werden später durch die Phagen-Nukleinsäure, die in das Kapsid eindringt, ersetzt. Dabei nehmen die Nukleinsäure-Fäden, gleich einem Wollknäuel, eine platzsparende Form an. Freisetzung: Die fertigen Viruspartikel werden durch enzymatische Auflösung der Wirtszelle befreit. Das Lysozym, welches von dem umprogrammierten Bakterium gebildet wurde, löst die bakterielle Mureinzellwand auf. Die Zelle platzt, und etwa 200 infektiöse Phagen werden frei.
Die Vermehrung verläuft bei einigen Phagenarten nicht immer nach dem oben beschriebenen, lytischen Schema ab. Bei temperenten Phagen unterscheidet man zwischen lysogenen und lytischen Vermehrungszyklen beziehungsweise Infektionszyklen. Bei einem lysogenen Zyklus wird die DNA des Phagen in das Chromosom des Bakteriums eingebaut, wodurch ein Prophage entsteht. Bei jeder folgenden Zellteilung werden die Gene des Phagen und die des Bakteriums gemeinsam verdoppelt und weitergegeben. Dieser Zyklus kann später in den lytischen Zyklus münden.
Riesenphagen mini|hochkant=1.2|Mikrophotographie eines Virions des Phagen PhiKZ (Myoviren) mit geplatzter Kapsidhülle, die innenliegende (DNA-haltige) zylindrische Struktur zeigend (Pfeil).
Doppelstrang-DNA-Phagen mit einer Genomgröße von mehr als 540 kbp werden als Megaphagen bezeichnet, kleinere mit mehr als 200 kbp als Jumbo-Phagen.