Werkbank für das Design von Bakteriophagen

ETH-For­scher haben eine Tech­no­lo­gie­platt­form ent­wi­ckelt, mit der sie Bak­te­rio­pha­gen gezielt ver­än­dern und mass­schnei­dern kön­nen. Dank die­ser Tech­nik rücken Pha­gen-The­ra­pi­en gegen gefähr­li­che Erre­ger in Griff­wei­te.

Bak­te­rio­pha­gen sind auf nur eine Bak­te­ri­en­art spe­zia­li­siert, des­halb hof­fen For­sche­rin­nen und Ärz­te, mit­hil­fe von Pha­gen gewis­se bak­te­ri­el­le Krank­hei­ten gezielt the­ra­pie­ren zu kön­nen. Schon heu­te setzt bei­spiels­wei­se die Lebens­mit­tel­in­dus­trie die­se Viren ein, um auf natür­li­che Wei­se Krank­heits­er­re­ger in Nah­rungs­mit­teln zu ver­nich­ten.

Die Viren gene­tisch zu opti­mie­ren und sie dadurch für bestimm­te Ein­satz­zwe­cke mass­zu­schnei­dern, ist aber nach wie vor her­aus­for­dernd und zeit­auf­wän­dig. Beson­ders schwie­rig ist es, Pha­gen für die Bekämp­fung soge­nann­ter Gram-posi­ti­ver Bak­te­ri­en wie Sta­phy­lo­coc­cus zu ver­än­dern.

Pha­gen gezielt ver­än­dern

Nun könn­te jedoch eine neue Ära bei der Nut­zung von Bak­te­rio­pha­gen anbre­chen, denn ein Team von For­schern um Mar­tin Loess­ner, Pro­fes­sor für Lebens­mit­tel­mi­kro­bio­lo­gie der ETH Zürich, hat soeben in der Fach­zeit­schrift PNAS eine neu­ar­ti­ge Tech­no­lo­gie­platt­form prä­sen­tiert. Damit kön­nen die Wis­sen­schaft­ler Pha­gen gezielt gene­tisch ver­än­dern, mit belie­bi­gen Zusatz­funk­tio­nen aus­stat­ten und schliess­lich in einer bak­te­ri­el­len «Leih­mut­ter» – einer zell­wand­lo­sen Lis­te­ri­en-Zel­le – zum Leben erwe­cken.

Mit der neu­en Pha­gen-Werk­bank las­sen sich sol­che Viren sehr schnell erschaf­fen, und die «Werk­zeug­kis­te» ist hoch­gra­dig modu­lar: Die Wis­sen­schaft­ler kön­nen damit bei­na­he belie­bi­ge Bak­te­rio­pha­gen für unter­schied­li­che Zwe­cke und mit einer Viel­zahl ver­schie­de­ner Funk­tio­nen erzeu­gen.

«Frü­her war es fast unmög­lich, das Genom eines Bak­te­rio­pha­gen zu ver­än­dern», sagt Loess­ner. Zudem waren die Metho­den extrem inef­fi­zi­ent. So wur­de bei­spiels­wei­se ein Gen nur in einem Bruch­teil der Pha­gen in das bestehen­de Genom inte­griert. Die Iso­la­ti­on des ver­än­der­ten Pha­gen wur­de daher oft­mals zur Suche nach der Nadel im Heu­hau­fen.

«Wir muss­ten frü­her aus Mil­lio­nen von Pha­gen die­je­ni­gen her­aus­su­chen, die die gewünsch­ten Eigen­schaf­ten tru­gen. Nun kön­nen wir von Anfang an lau­ter gleich­ar­ti­ge Viren erzeu­gen, sie innert nütz­li­cher Frist tes­ten und allen­falls wie­der ver­än­dern», betont Loess­ner.

Viren am Com­pu­ter pla­nen

Den Weg zum Durch­bruch geeb­net hat Loess­ners Mit­ar­bei­ter Samu­el Kil­cher. Der Spe­zia­list für mole­ku­la­re Viro­lo­gie benutz­te Metho­den aus der syn­the­ti­schen Bio­lo­gie, um das Genom eines Bak­te­rio­pha­gen auf dem Reiss­brett zu pla­nen und im Reagenz­glas aus DNA-Bruch­stü­cken zusam­men­zu­set­zen. Dabei wur­den auch neue und zusätz­li­che Funk­tio­na­li­tä­ten, wie Enzy­me zur Auf­lö­sung der bak­te­ri­el­len Zell­hül­le, in das Pha­gen­ge­nom ein­ge­baut. Zudem kann Kil­cher Gene ent­fer­nen, die einem Pha­gen uner­wünsch­te Eigen­schaf­ten ver­lei­hen, etwa die Inte­gra­ti­on in das Bak­te­ri­en­ge­nom oder die Pro­duk­ti­on von Zell­gif­ten.

Um aus der künst­li­chen DNA die Pha­gen-Par­ti­kel wie­der zum Leben zu erwe­cken, wur­de das Genom in kuge­li­ge, zell­wand­freie aber lebens­fä­hi­ge For­men des Bak­te­ri­ums Lis­te­ria (L-Form-Lis­te­ri­en) ein­ge­bracht. Die­se Bak­te­ri­en­zel­len pro­du­zie­ren dann anhand des gene­ti­schen Bau­plans alle Bestand­tei­le des gewünsch­ten Pha­gen und sor­gen für die kor­rek­te Mon­ta­ge der Viren.

Die For­scher haben auch fest­ge­stellt, dass kuge­li­ge Lis­te­ri­en nicht nur ihre eige­nen spe­zi­fi­schen Pha­gen erzeu­gen, son­dern auch sol­che, die ande­re Bak­te­ri­en befal­len kön­nen. Für gewöhn­lich bringt ein Wirt nur sei­ne spe­zi­fi­schen Viren her­vor. L-Form-Lis­te­ri­en eig­nen sich des­halb als fast uni­ver­sel­ler Bak­te­rio­pha­gen-Brut­kas­ten.

Wer­den die Lis­te­ri­en dann zum Plat­zen gebracht, kom­men die Bak­te­rio­pha­gen frei und kön­nen für ihren Ein­satz in The­ra­pie oder Dia­gnos­tik iso­liert und ver­mehrt wer­den.
Nur viru­len­te Pha­gen sind geeig­net

«Eine zen­tra­le Vor­aus­set­zung für die Anwen­dung von wir­kungs­vol­len syn­the­ti­schen Bak­te­rio­pha­gen ist, dass sich ihr Genom nicht in das­je­ni­ge des Wir­tes inte­grie­ren kann», betont Kil­cher. Gesche­he das, sei das Virus für das Bak­te­ri­um kei­ne Gefahr mehr. Mit­hil­fe der neu­en Metho­de konn­ten die For­scher sol­che inte­gra­ti­ven Pha­gen aber ein­fach umpro­gram­mie­ren, sodass sie die Fähig­keit zur Inte­gra­ti­on ver­lie­ren und damit für anti­bak­te­ri­el­le Anwen­dun­gen wie­der inter­es­sant wer­den.

Vor all­fäl­li­gen Resis­ten­zen bei Pha­gen sor­gen sich die bei­den For­scher kaum. Und selbst wenn es sol­che geben wür­de, wie zum Bei­spiel dadurch, dass ein Bak­te­ri­um sei­ne Ober­flä­chen­struk­tu­ren ändert, um das Ando­cken des Virus zu ver­hin­dern, lies­se sich durch die neue Tech­no­lo­gie rasch ein geeig­ne­ter Pha­ge ent­wi­ckeln, gegen das ein Bak­te­ri­um noch kei­ne Resis­ten­zen ent­wi­ckelt hat.

Auch die Gefahr von unge­woll­ten Frei­set­zun­gen hal­ten die For­scher für gering. Gera­de weil die Bak­te­rio­pha­gen, natür­li­che wie syn­the­ti­sche, höchst wirts­spe­zi­fisch sind, kön­nen sie ohne ihren Wirt nicht lan­ge über­le­ben. Die­se hohe Spe­zi­fi­tät ver­hin­dert auch, dass Bak­te­rio­pha­gen auf ein neu­es Wirts­bak­te­ri­um aus­wei­chen kön­nen. «Sich an die Ober­flä­chen­struk­tur eines ande­ren Wirts anzu­pas­sen, wür­de in der Natur sehr viel Zeit kos­ten», sagt Loess­ner.

Pra­xis­an­wen­dung rückt näher

Mit ihrer Tech­no­lo­gie hat Loess­ners Team einen gros­sen Schritt hin zur Nut­zung von syn­the­ti­schen Bak­te­rio­pha­gen für The­ra­pie, Dia­gnos­tik oder in der Lebens­mit­tel­in­dus­trie gemacht. Damit über­win­den die For­scher auch Ein­schrän­kun­gen, die mit der Ver­wen­dung von natür­li­chen Pha­gen ver­knüpft sind. «Unse­re Werk­zeug­kis­te könn­te hel­fen, das Poten­zi­al von Pha­gen aus­zu­schöp­fen», sagt Loess­ner. Die For­scher haben ihre Tech­no­lo­gie zum Patent ange­mel­det. Sie hof­fen nun, dafür Lizenz­neh­mer zu fin­den, die Pha­gen für The­ra­pi­en und Dia­gnos­tik pro­du­zie­ren.

Ori­gi­nal­pu­bli­ka­ti­on: Kil­cher S, Stu­der P, Muess­ner C, Klumpp J, Loess­ner MJ. Cross-genus rebooting of custom-made, syn­thetic bac­te­rio­pha­ge geno­mes in L-form bac­te­ria. PNAS 2018 Janu­ary, 115 (3) 567–572.

Quelle
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
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