Viren als Bakterienkiller

Die sogenannten Phagen bekämpfen Keime, die gegen Antibiotika resistent sind, sich auf Lebensmitteln tummeln oder Pflanzenkrankheiten hervorrufen.

Modell eines Phagen aus dem 3-D-Drucker. Foto: Reto Oeschger

Modell eines Phagen aus dem 3-D-Drucker. Foto: Reto Oeschger

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Die Forschungsobjekte, mit denen Martin Loessner arbeitet, sind überall in der Natur vorhanden, wo es Bakterien gibt, zum Beispiel im Wasser und im Boden. Der Professor von der ETH Zürich forscht an Viren, die ausschliesslich ­Bakterien befallen: sogenannte Bakteriophagen oder kurz Phagen. Die Fähigkeiten dieser Viren macht sich Loessners Team zunutze, um Krankheits­erreger zu bekämpfen – zum Beispiel solche, bei denen Antibiotika nicht mehr wirken –, um Lebensmittelinfektionen mit Listerien oder Salmonellen zu verhindern oder um bakteriellen Pflanzenkrankheiten wie dem Feuerbrand Herr zu werden.

Die Viren sind so klein, dass sie gerade nicht mehr unter dem Lichtmikroskop sichtbar sind – es sei denn, sie stehen als Plastikversion vergrössert auf Loessners Schreibtisch. Mithilfe eines blauen Phagen-Modells aus dem 3-D-Drucker erklärt der Biologe, wie sich die Viren vermehren. Demnach heftet sich ein Phage zuerst ganz spezifisch mit seinen Spikes, einer Art kleinen Füssen, an die Zellwand eines Bakteriums. Er schiesst sein Erbgut in die Bakterienzelle und programmiert sie damit auf eine Weise um, dass nun das Bakterium neue Viren produziert.

Damit sie danach wieder in die Freiheit entlassen werden können, nutzen die Viren Enzyme, welche die Bakterienzellwand zerstören, sogenannte Endolysine. Das Bakterium platzt und lässt bis zu 200 neue Phagen frei, die sofort weitere Bakterien befallen können.

Wirksame Enzymspülung

Diese potenten Waffen der Phagen gibt es bereits als kommerzielles Produkt. Die holländische Firma Micreos, die mit Loessner zusammenarbeitet, stellt die Endolysine her und fügt sie Tinkturen oder Cremen bei. Wenn sich beispielsweise bei einem Patienten eine Wunde oder ein Implantat, etwa ein künstliches Hüftgelenk, mit einem gegen Antibiotika resistenten Keim infiziert hat, können die Phagen-Enzyme helfen. Gefürchtet sind beispielsweise Spitalkeime wie die Staphylokokken, die gegen mehrere Antibiotika gefeit sind (multiresistente Stämme, MRSA). Besiedeln diese Haut, Schleimhäute, Knochen oder Implantate, können Enzymspülungen helfen. «Die Endolysine sind kleine, hochaktive Substanzen», sagt Martin Loessner. «Sie können Bakterien innerhalb von Sekunden auflösen.» Noch ist die Anwendung in der Schweiz aber nicht erlaubt, und Sondergenehmigungen muss die Arzneimittelbehörde Swissmedic bewilligen.

Schwieriger wird es, wenn sich Staphylokokken als chronische Infektion in Haut-, Knochen- oder Fettzellen einnisten. Dort sind sie nur schwer zu erreichen. Zusammen mit Annelies Zinker­nagel vom Unispital Zürich ist Loessner dabei, diese unzugänglichen oder «schlafenden» Bakterien zu bekämpfen. Loessners Team hat deshalb Phagen-­Enzyme speziell mit «biologischen Postleitzahlen» markiert. Sie sollen die Wirkstoffe exakt zum betroffenen Gewebe im Körper führen, wo die Krankheitserreger schlummern.

Bei der Behandlung von Lebensmitteln sei es hingegen besser, vollständige Phagen einzusetzen, sagt Loessner. Sie finden ihren Weg selbstständig zu den Bakterien. So gibt es potente Kandidaten, die Listerien abtöten können. Listerien sind die gefährlichsten durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserreger. Sie sind zwar selten, können aber tödlich sein, zum Beispiel für ältere Menschen oder Ungeborene im Bauch von Schwangeren. Hierzulande ist bereits ein Verfahren zugelassen, bei dem Phagen bei der Käseherstellung vorbeugend zugesetzt werden dürfen. Sie töten Listeria monocytogenes ab. In anderen Ländern wie den USA wird auch Fleisch mit einer Phagen-Lösung besprüht oder in nördlichen Ländern der Fisch.

Salmonellen herausfischen

Lebensmittelinfektionen vorzubeugen, ist ein Ansatz. Wichtig ist aber auch, die Krankheitserreger auf der Nahrung zuverlässig nachweisen zu können. Dazu hat Loessner mit seinen Mitarbeitern tief in die Trickkiste der Molekularbiologen gegriffen und so kürzlich «das effizienteste Verfahren entwickelt, um Salmonellen zu erkennen». Dem Team ist es gelungen, mithilfe von Phagen-Bestandteilen die Durchfallerreger zunächst gezielt aus einer Lösung zu fischen und dann sichtbar zu machen.

«Der Nachweis ist sensationell besser als alles, was es bisher gibt», freut sich Loessner über den Erfolg, an dem seine Mitarbeiter fünf Jahre lang gearbeitet haben. Die Gruppe hat ihre Ergebnisse kürzlich im Fachjournal «Applied and Environmental Microbiology» veröffentlicht. Die Zürcher haben dafür ein Protein im Labor nachgebaut, das an den Füssen des Phagen sitzt. Dieses Protein heftet sich ganz spezifisch an ein Zuckermolekül auf der Bakterienzellwand.

Wie vielfältig die Möglichkeiten werden, sobald die Forscher nicht nur die Phagen-Biologie verstehen, sondern auch nachahmen und gezielt verändern können, zeigt ein weiteres Projekt von Loessner. Dabei geht es um die Bakterien, die Zehntausende von Apfel-, Birnen- und Quittenbäumen in der Schweiz befallen haben: den Feuerbrand­erreger Erwinia amylovora. Die Erreger lassen Blüten und Blätter von Obstbäumen absterben. Diese werden schwarz und sehen aus wie verbrannt. Schliesslich gehen die Bäume ein. Seit letztem Jahr ist der Einsatz von Antibiotika wie Streptomycin vom Bundesamt für Landwirtschaft nicht mehr zugelassen.

Als Alternative könnte sich einmal der hochgerüstete Phage erweisen, den Loessners ehemaliger Doktorand Yannick Born gemeinsam mit Kollegen zusammengebaut hat. Born hat die Eigenschaften von zwei verschiedenen Phagen kombiniert. Der eine, Y2, kann viele verschiedene Bakterienstämme von Erwinia amylovora befallen. Ein anderer Phage, L1, ist sehr effizient dabei, die Bakterienoberfläche freizulegen.

Feuerbrand wird angegriffen

Feuerbrandbakterien bilden nämlich eine schleimige Schutzschicht, die sie vor Angriffen von Phagen schützt, wobei L1 in der Lage ist, diese Schutzschicht mit einem Enzym aufzulösen. Born ist es gelungen, die genetische Information für das Enzym in den Phagen Y2 einzufügen. Entstanden ist ein neuer Phage, der eine Vielzahl verschiedener Feuerbrandbakterienstämme erkennt und sehr effektiv bekämpft. Auch diese ­Ergebnisse hat das Forscherteam um Martin Loessner kürzlich in der Fachzeitschrift «Applied and Environmental Microbiology» publiziert.

Wie genau ein Killer-Phage aktiv wird, verdeutlicht Martin Loessner – zumindest in einer Vorlesung, die er für Kinder hält – mit einem ganz besonderen Phagen. Der Professor hat tatsächlich ein Plüschexemplar auf dem Regal liegen, eine freundliche Gestalt mit flauschigem, polyedrischem Kopf, auf langem schwarzem Hals, mit sechs weichen Beinen, die in spitze Füsse auslaufen. «Ich setze den Plüsch-Phagen dann auf einen Luftballon», erklärt Loessner, der vorher einen der Füsse mit einer Nadel präpariert hat, «und lasse den Luftballon platzen.»

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(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 11.06.2017, 23:20 Uhr

Martin Loessner

Experte für Phagen am ETH-Institut für Lebensmittelwissenschaften, Ernährung und Gesundheit.

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