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Unerforschtes Virom

Vielzahl von Bakteriophagen im menschlichen Darm

Bereits seit längerem ziehen Bakteriophagen immer wieder die Aufmerksamkeit auf sich. Ihr Einsatz könnte sich als eine der Optionen erweisen, das Resistenzproblem der Antibiotika abzumildern. Unter diesem Aspekt lässt eine Studie aufhorchen, in der ein systematischer Ansatz zur Charakterisierung möglichst aller Bakteriophagen im Darmmikrobiom initiiert wurde. Die Ergebnisse sind frappierend.
Theo Dingermann
06.10.2021  18:00 Uhr

Das Versagen von Antibiotikatherapien aufgrund von Resistenzproblemen nimmt besorgniserregende Dimensionen an. Aus diesem Grund wird mittlerweile über ergänzende Maßnahmen zur Behandlung bakterieller Erkrankungen nachgedacht. Eine immer wieder diskutierte Option ist der Einsatz von Bakteriophagen. Hochspezifisch können bestimmte Vertreter dieser auf die Infektion von Bakterien spezialisierten Viren ganz bestimmte Bakterien infizieren, die sie dann in ihrem Wachstum hemmen oder lysieren. So gelang es bereits in Einzelfällen, mithilfe von Phagen-Cocktails bakterielle Infektionen in den Griff zu bekommen.

Wie gewaltig das Vorkommen von Bakteriophagen ist, demonstrierten nun Forscher um Stephen Nayfach von der Environmental Genomics and Systems Biology Division des Lawrence Berkeley National Laboratoriums in Berkeley, Kalifornien. Sie machten sich daran, einen Katalog der Bakteriophagen zusammenzustellen, die im Stuhl des Menschen vorkommen. Die Ergebnisse publizierten sie im Juni im Fachjournal »Nature Microbiology«. 

Dazu analysierten sie 11.810 öffentlich verfügbare menschliche Stuhlmetagenome, also genetisches Material, das direkt aus Stuhlproben extrahiert, sequenziert und analysiert wurde. Sie identifizieren bemerkenswerte 189.680 virale Genome, die schätzungsweise 54.118 Arten, 5800 Gattungen und 1434 Familien repräsentieren. Über 75 Prozent dieser Genome konnten doppelsträngigen DNA-Phagen zugeordnet werden, die Bakterien der Klassen Bacteroidia und Clostridia infizieren. Von den identifizierten 54.118 Viruskandidaten waren 92 Prozent bislang nicht in zugänglichen Datenbanken zu finden. 

Die Bedeutung von Bakteriophagen

Die untersuchten viralen Genome kodieren für etwa 450.000 verschiedene Proteine, heißt es in der Publikation. Dies sei ein riesiges Reservoir von Substanzen, die entweder schädlich oder nützlich für ihre Wirtsbakterien und damit letztlich für den Menschen sein können. Das Team erstellte auch einen Katalog mit 459.375 viralen Proteinclustern, die damit jetzt als Basis für die funktionelle Charakterisierung des Darm-Viroms verfügbar sind. Unter anderem wurden Zehntausende Retroelemente identifiziert. Diese Elemente besitzen die Eigenschaft, sich über RNA-Zwischenprodukte zu vermehren und in ein Bakteriengenom zu integrieren. Da die Rückübersetzung von RNA nach DNA sehr fehleranfällig ist, können solche Retroelemente ganz relevant zur molekularen Evolution von Bakterien beitragen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Bakteriophagen für die Ökologie des menschlichen Darmmikrobioms

Die Arbeiten der kalifornischen Wissenschaftler ergänzen das bisherige Wissen um das komplexe mikrobielle Ökosystem relevant, das eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit und Entwicklung spielt. Bisher konzentrierte man sich bei der Charakterisierung dieses Ökosystems vornehmlich auf die Darmorganismen (Bakterien und Archaeen). Bakteriophagen und anderen Viren wurde bisher nur untergeordnet Aufmerksamkeit geschenkt.

Wie groß jedoch ihr Anteil an dem mikrobiellen Darm-Ökosystem ist, zeigt die vorliegende Studie. Sie bildet daher eine neue Basis, das Wissen über die virale Genomvielfalt im Mikrobiom zu mehren. Trotz umfangreicher Bemühungen konnten die Wissenschaftler nur 25 Prozent der viralen Gene vorläufigen biologischen Funktionen zuweisen. Dies unterstreicht, dass mehr Arbeit und neue Methoden, darunter Deep Learning und funktionelle metagenomische Tests, erforderlich sind, um Proteinfunktionen in viralen Genomen vorherzusagen.

Zudem konzentriert sich die Studie ausschließlich auf DNA-Viren. In künftige Studien könnten auch metatranskriptomische Daten genutzt werden, um RNA-Viren oder Genexpressionsmuster zu charakterisieren. Die Forscher gehen davon aus, dass sie mit ihrer Studie nur eine Teil der gesamten Artenvielfalt des Darmviroms beleuchtet haben – es liege noch ein weiter Weg vor ihnen.

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