Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

16.3: Lytischer Zyklus von Bakteriophagen
INHALTSVERZEICHNIS

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Lytic Cycle of Bacteriophages
 
PROTOKOLLE

16.3: Lytic Cycle of Bacteriophages

16.3: Lytischer Zyklus von Bakteriophagen

Bacteriophages, also known as phages, are specialized viruses that infect bacteria. A key characteristic of phages is their distinctive “head-tail” morphology. A phage begins the infection process (i.e., lytic cycle) by attaching to the outside of a bacterial cell. Attachment is accomplished via proteins in the phage tail that bind to specific receptor proteins on the outer surface of the bacterium. The tail injects the phage’s DNA genome into the bacterial cytoplasm. In the lytic replication cycle, the phage uses the bacterium’s cellular machinery to make proteins that are critical for the phage’s replication and dispersal. Some of these proteins cause the host cell to take in water and burst, or lyse, after phage replication is complete, releasing hundreds of phages that can infect new bacterial cells.

Phage Therapy

Since the early 20th century, researchers have recognized the potential value of lytic bacteriophages in combating bacterial infections in crops, humans, and agricultural animals. Because each type of phage can infect and lyse only specific types of bacteria, phages represent a highly specific form of anti-bacterial treatment. This quality stands in contrast to the familiar antibiotic drugs that we often take for bacterial infections, which are typically broad-spectrum treatments that kill both pathogenic and beneficial bacteria. The widespread use of broad-spectrum antibiotics has caused the evolution of bacterial resistance to whole classes of these drugs, rendering once treatable infections potentially deadly. As more pathogenic bacteria evolve resistance to antibiotics, narrow-spectrum phage therapy may become a useful alternative. Because phages are highly specific in the bacteria that they infect, the evolution of resistance to phages would also be limited to the particular strain of bacteria.

However, several obstacles must be overcome for phage therapy to become a viable alternative to antibiotics. For instance, the high specificity of phages is also a drawback, because different phages would be needed for each species of the bacterial pathogen or even strain of bacteria within a pathogenic species. It would, therefore, be difficult to produce phages for many different bacterial infections at a large scale. Furthermore, because of phage specificity, it would be necessary to either know the particular bacterial strain that is causing an infection or use a cocktail of multiple different phages in the treatment and hope that one of them matches the pathogenic bacteria. Despite these drawbacks, phage therapy remains an active area of research.

Bakteriophagen bzw. Phagen sind spezialisierte Viren, die Bakterien befallen. Ein wesentliches Merkmal der Phagen ist ihre ausgeprägte “Kopf-Schwanz”-Morphologie. Ein Phage beginnt den Infektionsprozess (d.h. den Lysezyklus), indem er sich an die Außenseite einer Bakterienzelle anheftet. Die Anheftung erfolgt über Proteine im Phagenschwanz, welche sich an spezifische Rezeptorproteine auf der Außenseite des Bakteriums anbinden. Der Schwanz injiziert das DNA-Genom des Phagens in das bakterielle Cytoplasma ein. Im lytischen Replikationszyklus verwendet der Phagen die zelluläre Maschinerie des Bakteriums, um Proteine herzustellen. Diese sind für die Replikation und Verbreitung des Phagen entscheidend. Einige dieser Proteine bewirken, dass die Wirtszelle Wasser aufnimmt und nach Abschluss der Phagen-Replikation platzt oder lysiert. Dadurch werden Hunderte von Phagen freigesetzt, die neue Bakterienzellen infizieren können.

Phagentherapie

Im frühen 20. Jahrhundert erkannten Wissenschaftler erstmals den potenziellen Wert lytischer Bakteriophagen bei der Bekämpfung bakterieller Infektionen bei Nutzpflanzen, Menschen und landwirtschaftlichen Tieren. Da jede Phagenart nur bestimmte Bakterienarten infizieren und lysieren kann, stellen Phagen eine hochspezifische Form der antibakteriellen Behandlung dar. Diese Eigenschaft steht im Gegensatz zu den bekannten Antibiotika, die wir häufig gegen bakterielle Infektionen einnehmen. Diese stellen typischerweise ein breites Spektrum an Behandlungen dar und können töten gewöhnlich pathogene als auch nützliche Bakterien ab. Der weit verbreitete Einsatz von Breitbandantibiotika hat die Entwicklung von bakteriellen Resistenzen gegen ganze Klassen dieser Medikamente bewirkt. Einst behandelbare Infektionen werden dadzrcg potenziell tödlich gemacht. Da immer mehr pathogene Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln, kann die Schmalband-Phagentherapie eine nützliche Alternative darstellen. Da Phagen in den Bakterien, die sie infizieren, hochspezifisch sind, ist die Entwicklung von Resistenzen gegen Phagen auch auf den jeweiligen Bakterienstamm beschränkt.

Allerdings müssen mehrere Hürden überwunden werden, damit die Phagentherapie eine brauchbare Alternative zum Einsatz von Antibiotika wird. Zum Beispiel ist die hohe Spezifität der Phagen auch ein Nachteil. Für jede Spezies des bakteriellen Erregers oder gar eines Bakterienstammes innerhalb einer pathogenen Spezies wird eine andere Phagenart benötigt. Es ist daher schwierig, Phagen für viele verschiedene bakterielle Infektionen in großem Umfang herzustellen. Außerdem ist es aufgrund der Phagenspezifität notwendig, entweder den jeweiligen Bakterienstamm zu kennen, der eine Infektion verursacht, oder einen Cocktail aus mehreren verschiedenen Phagen in der Behandlung zu verwenden. Dann muss man darauf hoffen, dass einer von ihnen zu den pathogenen Bakterien passt. Trotz dieser Nachteile bleibt die Phagentherapie ein Feld, in dem aktiv geforscht wird.


Suggested Reading

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter