Bakteriophagen, oft einfach als Phagen bezeichnet, sind Viren, die spezifisch Bakterien infizieren. Sie gehören zu den häufigsten und vielfältigsten biologischen Einheiten auf der Erde, spielen entscheidende Rollen in Ökosystemen und bieten vielversprechende Anwendungen in Medizin und Biotechnologie. Das Verständnis der komplexen Struktur von Bakteriophagen ist wesentlich, um ihr Potenzial in verschiedenen Bereichen zu nutzen.

Grundstruktur der Bakteriophagen

Im Kern eines Bakteriophagen befindet sich sein genetisches Material, das entweder einzelsträngige oder doppelsträngige DNA oder RNA sein kann. Dieses genetische Material ist von einer schützenden Proteinhülle umgeben, die als Kapsid bezeichnet wird. Das Kapsid schützt das genetische Material nicht nur vor Umwelteinflüssen, sondern erleichtert auch die Anheftung des Phagen an bakterielle Wirte.

Abbildung 1. Struktur des Bakteriophagen. (Mishra et al., 2024)

Kapsidstruktur

Das Kapsid ist die Proteinhülle, die das genetische Material eines Bakteriophagen umschließt. Es dient als Schutzbarriere und bewahrt das virale Genom vor Umwelteinflüssen, bis es einen geeigneten Wirt erreicht. Die Architektur des Kapsids ist typischerweise ikosaedrisch, was Stärke und Effizienz verleiht. Diese geometrische Konfiguration ermöglicht es dem Kapsid, äußeren Druck standzuhalten und gleichzeitig das Innenvolumen für die Speicherung des genetischen Materials zu maximieren.

Kapside bestehen aus Proteineinheiten, den sogenannten Kapsomeren, die sich selbst zu einer präzisen geometrischen Struktur zusammenfügen. Die Anordnung der Kapsomere kann bei verschiedenen Phagen variieren, was zu unterschiedlichen Kapsidgrößen und -formen führt. Diese Variation beeinflusst die Infektiosität und das Wirtsspektrum des Phagen. Einige Bakteriophagen besitzen zudem zusätzliche Proteine auf ihren Kapsiden, die bei der Wirterkennung und -anheftung eine Rolle spielen und so die Fähigkeit des Phagen erhöhen, spezifische bakterielle Zellen zu infizieren.

Schwanzfasern und Basalplatte

Schwanzfasern und die Basalplatte sind essentielle Komponenten, die die Interaktion des Phagen mit seinem bakteriellen Wirt ermöglichen. Schwanzfasern sind verlängerte, flexible Stäbe, die hochspezialisiert sind, um einzigartige molekulare Marker auf der Oberfläche von Zielbakterien zu erkennen. Diese Spezifität stellt sicher, dass der Phage effizient seinen vorgesehenen Wirt findet und sich anheftet, wodurch der Infektionsprozess eingeleitet wird.

Sobald die Schwanzfasern an die Bakterienoberfläche binden, durchläuft die Basalplatte Konformationsänderungen, die weitere Schritte im Infektionszyklus ermöglichen. Diese Umwandlung löst oft die Kontraktion anderer Komponenten aus, die die nachfolgenden Infektionsschritte antreiben. Die Fähigkeit der Basalplatte, solche Veränderungen zu durchlaufen, unterstreicht die Komplexität und Präzision der Phagenarchitektur.

Kontraktile Schwänze (Myoviridae)

Phagen der Familie Myoviridae, wie der T4-Phage, besitzen kontraktile Schwänze, die wie molekulare Spritzen funktionieren. Der Schwanz besteht aus einer starren Scheide, die ein inneres Schwanzrohr umgibt. Nach der Anheftung an eine Bakterienzelle kontrahiert die Scheide und treibt das Schwanzrohr durch die Zellhülle des Wirts, um das virale Genom in die Zelle zu injizieren. Dieser Mechanismus gewährleistet eine effiziente Genomübertragung, selbst bei Bakterien mit dicken Peptidoglykanschichten.

Das kontraktile Schwanzsystem der Myoviridae-Phagen ist hochdynamisch. Strukturelle Studien mittels Kryo-Elektronentomographie haben die Umstrukturierungen gezeigt, die während der Kontraktion in der Schwanzscheide auftreten. Die Robustheit dieses Schwanzsystems ermöglicht es Myoviridae-Phagen, ein breites Spektrum bakterieller Spezies zu infizieren, was sie zu wertvollen Kandidaten für die Phagentherapie macht.

Nicht-kontraktile Schwänze (Siphoviridae)

Siphoviridae-Phagen, wie der Lambda-Phage, besitzen lange, flexible, nicht-kontraktile Schwänze, die die Wirterkennung und den Genomtransfer durch einen allmählicheren Prozess vermitteln. Die Schwanzfasern dieser Phagen stellen den Erstkontakt mit der Bakterienoberfläche her, und die Schwanzspitze erleichtert den DNA-Eintritt. Im Gegensatz zu Myoviridae, die auf mechanische Kraft zur Genominjektion setzen, nutzen Siphoviridae-Phagen einen diffusionsbasierten Prozess, bei dem die DNA durch den Schwanzkanal als Reaktion auf osmotische Gradienten übertragen wird.

Die strukturelle Flexibilität der Siphoviridae-Schwänze ermöglicht die Anpassung an verschiedene Rezeptortypen, was eine Wirtspezifität bei gleichbleibender Infektionseffizienz erlaubt. Hochauflösende Bildgebungsstudien haben gezeigt, dass die Länge und Flexibilität dieser Schwänze ihr Wirtsspektrum beeinflussen, wobei längere Schwänze oft eine breitere Infektiosität verleihen.

Kurze Schwänze (Podoviridae)

Podoviridae-Phagen, wie T7, besitzen kurze, stämmige Schwänze ohne kontraktile Elemente. Ihr Infektionsmechanismus beruht auf der enzymatischen Zersetzung der bakteriellen Zelloberfläche, um den Genomeintritt zu ermöglichen. Die Schwanzproteine dieser Phagen weisen häufig Depolymerase- oder Lysozym-ähnliche Aktivität auf, wodurch sie bakterielle Abwehrmechanismen überwinden können.

Podoviridae-Phagen kompensieren ihre kurzen Schwänze durch den Einsatz spezialisierter Rezeptorbindungsproteine, die eine präzise Anheftung vor Beginn der enzymatischen Verdauung sicherstellen. Dieser schlanke Infektionsprozess ermöglicht eine schnelle DNA-Injektion, wodurch Podoviridae besonders gut für die Infektion schnell wachsender Bakterienpopulationen geeignet sind.

Abbildung 2. Die drei schwanztragenden Phagenfamilien (Myoviridae, Siphoviridae und Podoviridae). (Elbreki et al., 2014)

Typen von Bakteriophagen basierend auf der Struktur

Bakteriophagen können anhand ihrer strukturellen Merkmale in verschiedene Typen eingeteilt werden. Die gebräuchlichste Klassifikation unterteilt sie in drei allgemeine Strukturgruppen: filamentös, ikosaedrisch mit Schwanz und ikosaedrisch ohne Schwanz.

Filamentöse Bakteriophagen

Filamentöse Bakteriophagen, darunter Arten wie Pf1, fd und M13, besitzen eine stabförmige Struktur mit einer Länge von 800–2000 nm. Diese Phagen verfügen über mehrere tausend Kopien eines α-helikalen Hüllproteins, das in einer Helix um die einzelsträngige DNA angeordnet ist. Filamentöse Phagen sind einzigartig, da sie ihre Wirtszellen nach der Infektion nicht lysieren. Stattdessen geben sie ihre Nachkommen kontinuierlich ab, sodass die Wirtszelle überlebt.

Abbildung 3. Die Ff-Bakteriophagenstruktur und Virionproteine, die am häufigsten beim Phagen-Display verwendet werden. (A) Ff-Virion, visualisiert mit dem Rasterkraftmikroskop. (B) Schematische Darstellung des Ff-Bakteriophagen. (C) Bänderdarstellungen (Draufsicht und Seitenansicht) des pVIII-Hüllproteins (RCSB PDB Datenbank Zugangsnummer 2cOw; angeordnet um die einzelsträngige DNA des Bakteriophagen (nicht gezeigt)). (D) Bänderdarstellung der N1- und N2-Domänen von pIII (RCSB PDB Datenbank Zugangsnummer 1g3p). (Gagic et al., 2016)

Ikosaedrische Bakteriophagen mit Schwanz

Ikosaedrische Bakteriophagen mit Schwänzen, wie T4 und T7, zeichnen sich dadurch aus, dass ihre DNA in einem ikosaedrischen Kapsid gespeichert ist, das mit einer Schwanzstruktur verbunden ist. Der Schwanz ist mit Fasern oder Spikes ausgestattet, die spezifische Rezeptoren auf der Bakterienoberfläche erkennen und binden. Diese Spezifität ermöglicht es Phagen, bestimmte Bakterienstämme gezielt anzugreifen, was sie zu hochselektiven Wirkstoffen macht.

Der T4-Phage ist ein gut untersuchtes Beispiel dieser Gruppe. Er besitzt eine komplexe, kaulquappenförmige Struktur mit einem verlängerten ikosaedrischen Kopf und einem kontraktilen Schwanz. Der Kopf enthält die doppelsträngige DNA des Phagen, geschützt durch eine zweischichtige Proteinwand. Der Schwanz besteht aus einem hohlen Kern, der von einer kontraktilen Scheide umgeben ist, die den hohlen Kern während der Infektion in die Bakterienzelle treibt.

Abbildung 4. Kryo-elektronenmikroskopische Tomogramme des WX174-ähnlichen Phagen ST-1, der E. coli Mini-Zellen infiziert. a–c: Tomogrammschnitte, die drei Stadien des Infektionsprozesses zeigen. d–h, Vergrößerte Bilder aus a–c. d: Das Virus hat sich an die äußere Membran (OM) angeheftet. Einer der pentameren Spikes eines ikosaedrischen Partikels hat ein Lipopolysaccharid (LPS) in der äußeren Membran der E. coli-Zellwand erkannt. e, f: Nach der Anheftung extrudiert das Virus ein Rohr zur DNA-Penetration. Ein Rohr ist sichtbar (weißer Pfeil), das den periplasmatischen Raum durchquert und in der äußeren und inneren Membran (IM) steckt. g, h: Nach der DNA-Injektion in die Zelle beginnt sich der verlängerte Schwanz zu zerlegen. I: Schematisches Modell der WX174-Infektion. (Sun et al., 2014)

Ikosaedrische Bakteriophagen ohne Schwanz

Ikosaedrische Bakteriophagen ohne Schwänze sind weniger verbreitet und infizieren typischerweise spezifische bakterielle Wirte. Diese Phagen verlassen sich auf alternative Mechanismen, um sich an Bakterienzellen anzuheften und einzudringen. Ihre Struktur und ihr Infektionsprozess können erheblich variieren, was Anpassungen an bestimmte ökologische Nischen und Wirtsumgebungen widerspiegelt.

Abbildung 5. (Links) Röntgenkristallographische Struktur eines Virions des Pseudoalteromonas-Phagen PM2 bei 7 Å Auflösung, entlang der zweifachen Symmetrieachse betrachtet (Mitte) Schematische Darstellung und (rechts) negativ gefärbtes elektronenmikroskopisches Bild von Pseudoalteromonas-Phage PM2-Partikeln. Der Maßstab entspricht 50 nm. (Corticoviridae, 2012)

Strukturelle Variationen und evolutionäre Anpassungen

Bakteriophagen zeigen eine bemerkenswerte strukturelle Vielfalt, die ihre evolutionären Anpassungen an verschiedene bakterielle Wirte und Umgebungen widerspiegelt. Diese Vielfalt zeigt sich in Größe, Form und Zusammensetzung ihrer Kapside, Schwänze und anderer Strukturelemente.

Wirt-Phagen-Koevolution

Das fortwährende Wettrüsten zwischen Bakterien und Phagen treibt die Evolution beider Parteien voran. Bakterien entwickeln Resistenzmechanismen, wie die Veränderung von Oberflächenrezeptoren oder die Produktion von Enzymen, die Phagenbestandteile abbauen. Im Gegenzug entwickeln Phagen strukturelle Anpassungen, die ihre Fähigkeit verbessern, resistente Wirte zu erkennen und zu infizieren. Beispielsweise erwerben einige Phagen neue Rezeptorbindungsproteine oder modifizieren ihre Schwanzfasern, um mit alternativen bakteriellen Rezeptoren zu interagieren.

Strukturelle Plastizität

Einige Phagen zeigen strukturelle Plastizität, die es ihnen ermöglicht, je nach Umweltbedingungen zwischen verschiedenen Formen zu wechseln. Diese Plastizität erlaubt es Phagen, sich an veränderte Bedingungen anzupassen und ihre Infektiosität zu optimieren. Beispielsweise können bestimmte Phagen die Länge oder Zusammensetzung ihrer Schwanzfasern verändern, um verschiedene bakterielle Wirte anzugreifen oder Wirtsabwehrmechanismen zu umgehen.

Umwelteinflüsse

Umweltfaktoren wie Temperatur, pH-Wert und Salzgehalt beeinflussen ebenfalls die Struktur und Funktion von Phagen. Phagen, die in extremen Umgebungen wie heißen Quellen oder Tiefseequellen gedeihen, besitzen oft einzigartige Struktureigenschaften, die Stabilität und Funktionalität unter harschen Bedingungen verleihen. Zu diesen Anpassungen gehören spezialisierte Proteine, die der Denaturierung widerstehen, sowie Mechanismen für eine effiziente Genomübertragung in wasserarmen Umgebungen.

Abbildung 6. Faktoren, die die Koevolution von Phagen und Bakterien beeinflussen. Die Faktoren lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen: Faktoren im Zusammenhang mit dem Vorkommen spezifischer Phagen und Bakterien, Faktoren bezüglich der Bedingungen, unter denen die Koevolution stattfindet, und genomische Faktoren wie Mutationslast. ARD: arms race dynamics, FSD: fluctuating selection dynamics, LPS: Lipopolysaccharide. (Jdeed et al., 2025)

Bakteriophagen sind komplexe virale Parasiten mit vielfältigen Struktureigenschaften, die es ihnen ermöglichen, bakterielle Wirte zu infizieren und zu manipulieren. Ihre Kapside, Schwänze und andere Komponenten haben sich so entwickelt, dass sie spezifische Interaktionen mit bakteriellen Oberflächen ermöglichen und eine effiziente Genomübertragung und -replikation sicherstellen. Das Verständnis der Struktur von Bakteriophagen erweitert nicht nur unser Wissen über die Virusbiologie, sondern erschließt auch ihr Potenzial für verschiedene Anwendungen – von der Bekämpfung antibiotikaresistenter Infektionen bis hin zum Fortschritt in der Nanotechnologie.

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