Bakteriophagen: Per Anhalter durch den Boden

Taxi im Untergrund: Wenn Bakterien befallende Viren im Boden nach neuen Wirten suchen, verlassen sie sich nicht auf Wasser als Verbreitungshilfe. Stattdessen nutzen die Bakteriophagen Bakterien und Pilzhyphen als Transporteure durch den Untergrund, wie eine Studie enthüllt. Demnach reisen die Phagen per „Anhalter“ auf den nicht zu ihren Wirten zählenden Mikroben mit, um neue Lebensräume und Wirte zu erreichen. Für die Transport-Bakterien hat dieser Shuttle-Service ebenfalls Vorteile.

Bakteriophagen nutzen – anders als andere Viren, die Tiere oder Pflanzen befallen – Bakterien als Wirte und kapern deren Zellmaschinerie. Mit ihren beinartigen Fortsätzen docken die Phagen an das Bakterium an und injizieren ihr Erbgut in die Wirtszelle. Gelingt dies, wird das Bakterium so umprogrammiert, dass es neue Viren produziert. Solche auf Bakterien spezialisierte Viren kommen in fast allen Lebensräumen vor – vom Ozean über den Boden bis in unseren eigenen Körper.

Phagen auf der Suche nach neuen Wirten

Doch wie schaffen es die Phagen, neue Lebensräume zu besiedeln und so neue Wirtsbakterien zu finden? Denn nicht jedes Bakterium ist als Wirt für die Phagen geeignet. Gemäß einem Schlüssel-Schloss-Prinzip können die Viren jeweils nur in bestimmte Wirtsbakterien ihr Erbgut einschleusen. Im Wasser und in feuchtem Boden gelingt den Viren die Fortbewegung passiv mit dem Wasserstrom. Ob und wie der Transport im trockenen Boden stattfindet, war jedoch bisher unklar.

Ein Forschungsteam um den Umweltmikrobiologen Xin You vom Helmholtz-Institut für Umweltforschung in Leipzig hat deshalb untersucht, welche Rolle ein von vielen Bakterien genutztes Transportsystem im Boden dafür spielen könnte. Schon zuvor hatten sie herausgefunden, dass Bodenbakterien schleimüberzogene Pilzhyphen nutzen, um sich auf ihnen fortzubewegen und so zu neuen Nahrungsquellen zu gelangen.

Phagen, Bakterien und Pilze im Team

In ihrer aktuellen Studie hat das Forschungsteam nun auch die Bakteriophagen als Nutznießer des unterirdischen Pilzgeflechts identifiziert. „Phagen sind ebenfalls auf dieser Pilzautobahn unterwegs“, sagt Yous Kollege Lukas Wick.

In ihrem Experiment dienten zwei Zonen mit Nährmedium als Testgebiet, die nur über Pilzhyphen miteinander verbunden waren. „In Zone A setzten wir typische Bodenbakterien als Shuttle sowie Phagen ein, die dieser Bakterienart nichts anhaben können“, erklärt You. „Die Zone B dagegen war mit einem phagenspezifischen Wirtsbakterium besiedelt.“ Der Phage T4 nutzt den Darmkeim Escherichia coli als Wirt, kann aber das als Shuttle verwendete Bodenbakterium Pseudomonas putida nicht infizieren.

Nichtwirt-Bakterien als Shuttle

In den Versuchen zeigte sich, dass der Phage trotzdem am Nichtwirt-Bakterium andocken kann: Bis zu 62 Prozent der T4-Phagen lagerten sich an die Zellwand der Bodenbakterien an, drangen aber nicht in sie ein. „Durch physikalische Kräfte haften die Viren an der Oberfläche der Bakterien, ähnlich wie Muscheln an einem Schiffsrumpf“, erklärt Wick. Wenn dann die Bakterien über die Pilzhyphen in ein anderes Gebiet wandern, nehmen sie die auf ihnen sitzenden Phagen mit.

Im Prinzip reisen die Bakteriophagen quasi per Anhalter durch den Boden – bis sie an einem für sie besseren Ort angelangt sind. Dank dieses Bakterien-Taxis können sich die Phagen auch dann im Boden fortbewegen, wenn dieser nicht mit Wasser gesättigt ist.

Vorteile auch fürs Shuttle-Bakterium

You und seine Kollegen vermuteten, dass bei diesem Transport der Phagen auch Vorteile für die Transportbakterien entstehen könnten. Um dies zu überprüfen, ließen sie die Shuttle-Bakterien in ihren Tests mal mit und mal ohne Virengepäck ihre Wanderschaft über die Pilzhyphen-Autobahn antreten.

„Das Ergebnis war deutlich: Das Bakterien-Phagen-Duo war bei der Invasion der Zone B ganz klar im Vorteil“, sagt You. „Die Shuttle-Bakterien profitierten bei ihrem Feldzug von der Schlagkraft der Phagen, die ihre Wirtsbakterien effektiv außer Gefecht setzten und so auch gleichzeitig die Nahrungskonkurrenz für die einwandernden Bakterien ausschalteten.“

Die Forschungsgruppe konnte damit zeigen, dass nicht nur die Bakteriophagen von ihrer Reise per Anhalter profitieren, sondern dass dies auch ihren Transportbakterien einen evolutionären Vorteil bietet.

Phagenstrategien als Modell in der Invasionsökologie

Dass einwandernde Arten angestammten Bewohnern eines Lebensraums Probleme bereiten können, ist aus der Makroökologie gut bekannt. Auch, dass invasive Arten Krankheitserreger mitbringen können, die verstärkt dazu beitragen, einheimische Arten zu verdrängen. Die Forschungsgruppe hat daher ihre Daten anhand eines bekannten Modells der Invasionsökologie namens MAFIA (MAecological Framework of Invasive Aliens) interpretiert.

„Mit unserem Pilz-Bakterien-Phagen-System konnten wir im Mikrobereich dieselben Invasionsmuster erkennen wie in der Makroökologie“, sagt Wick. „Und da unser mikrobielles Labormodell schnell und einfach beprobt und modifiziert werden kann, könnte es künftig als Modellsystem zur Beantwortung verschiedener Fragestellungen und Hypothesen der Invasionsökologie – etwa dem Transport von Schädlingen oder Krankheitserregern – genutzt werden.“ (ISME Journal, 2021; doi: 10.1038/s41396-021-01155-x)

Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)