Bakteriophagen
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 1. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien infizieren und sich dabei vermehren. Zu nahezu jeder Bakterienart sind passende Bakteriophagen bekannt. Bakteriophagen werden in Medizin und Gentechnik eingesetzt.
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Was sind Bakteriophagen?
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Bakteriophagen stellen eine Gruppe von Viren dar, welche Bakterien und Archaeen (Urbakterien) infizieren. Dabei vermehren sie sich weiter unter der Zerstörung des Bakteriums.
Jeder Phage befällt nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip nur wenige, eng verwandte Bakterien. Bakteriophagen sind, nach traditioneller Definition, wie alle Viren keine Lebewesen. Sie sind für ihre Vermehrung auf einen Wirt angewiesen. Außerhalb des Wirtes finden keine biochemischen Prozesse statt. Die Phagen nutzen dazu die Enzyme ihres Wirtes.
Bakteriophagen bestehen lediglich aus DNA oder RNA, welche mit einer Eiweißhülle umgeben sind. Die überwiegende Mehrzahl der Phagen besitzt jedoch DNA als genetisches Material.
Erstmalig wurden Phagen im Jahre 1917 von dem französisch-kanadischen Biologen Félix Hubert d’Hérelle beschrieben, der ihnen auch ihren Namen gab. Der britische Bakteriologe Frederick Twort hatte das Phänomen bereits 1915 beobachtet, ohne es richtig zu deuten. Der Aufbau der verschiedenen Phagen unterscheidet sich. Grundsätzlich bestehen Bakteriophagen aus mehreren Komponenten. Hauptsächlich wurde der Aufbau der sogenannten T-Phagen untersucht, die unter anderem auch das Bakterium Escherichia coli befallen.
Die T-Phagen bestehen aus einem polyedrischen Kopf, welcher über einen Hals mit einem länglichen Einspritzkanal (Injektionsapparat) verbunden ist. Unter dem Einspritzapparat befindet sich die Grundplatte mit Schwanzfiber und Spikes. Der Kopf ist ein Kapsid, welcher Nukleinsäure enthält. Kapsid, Einspritzkanal und Grundplatte bestehen aus Protein. Schwanzfiber und Spikes dienen der Verankerung des Phagen an der Zellwand des Bakteriums.
Vorkommen, Verbreitung & Eigenschaften
Die Vermehrung der Bakteriophagen lässt sich in fünf Phasen einteilen. Zunächst wird der Phage an einem spezifischen Zellwandrezeptor adsorbiert. Die Enden der Schwanzfäden lagern sich auf der Zelloberfläche an. In einem nächsten Schritt injiziert der Phage seine DNA oder RNA ins Bakterium. Dabei bleiben die leeren Proteinhüllen auf der Bakterienoberfläche zurück. Die dritte Phase wird als Latenzphase bezeichnet, in welcher sich keine Phagen nachweisen lassen. In der Latenzphase beginnt die Transkription in die virale mRNA und die Replikation der viralen Nukleinsäure. In der sogenannten Produktionsphase werden die viralen Proteine erzeugt. Dann kommt es in der anschließenden Reifephase zur Zusammensetzung der einzelnen Virenbestandteile. Nach dem Abschluss der Virusproduktion löst ein von der umgebauten Bakterienzelle produziertes Lysozym das Bakterium auf und setzt die produzierten Phagen frei.
Bedeutung & Funktion
Heute finden Bakteriophagen bereits auf vielen Gebieten breite Anwendung. Besondere Anwendungsbereiche eröffnen sich in Medizin, Biologie oder Agrartechnik. In der Medizin dienen Bakteriophagen aufgrund ihrer Spezifität auf bestimmte Bakterien dem Nachweis von Bakterienstämmen. Dieses Anwendungsgebiet wird als Lysotypie bezeichnet.
Zurzeit finden intensive Forschungen zur Bekämpfung von Bakterien mittels Bakteriophagen bei Infektionen statt. Besonders unter dem Eindruck der immer größer werdenden Anzahl von antibiotikaresistenten Bakterienstämmen gewinnt dieser Forschungsbereich wachsende Bedeutung. Problematisch ist jedoch die geringe Stabilität der Phagen im Körper. Sie werden von den körpereigenen Fresszellen rasch aus dem Blut entfernt. Als Arzneimittel zugelassen ist die Phagentherapie in Deutschland bislang nicht; sie kommt hier nur im Rahmen von Studien oder als individueller Heilversuch infrage.
Grundsätzlich wurde diese Einsatzmöglichkeit bereits von Félix Hubert d’Hérelle in Erwägung gezogen. Allerdings gerieten nach Entdeckung und Einführung der Antibiotika die Forschungsergebnisse zu dieser Anwendungsmöglichkeit völlig in Vergessenheit. Das 1923 von dem georgischen Mikrobiologen Giorgi Eliava gegründete und ab 1933 gemeinsam mit d’Hérelle ausgebaute Eliava-Institut für Phagenforschung besteht jedoch heute noch im georgischen Tiflis. Zusammen mit dem Ludwik-Hirszfeld-Institut für Immunologie und Experimentelle Therapie aus dem polnischen Breslau wird dort heute Forschung zur alternativen Bekämpfung von antibiotikaresistenten Bakterien mittels Phagen durchgeführt.
Vielfältigen Einsatz finden Phagen auch in der Lebensmittelindustrie. So werden beispielsweise verschiedene Sprühnebel aus Phagen beim Verpacken von Käse oder Würstchen eingesetzt, um sie vor Bakterien zu schützen.
Ein großes Anwendungsgebiet ist auch die Gentechnologie. So werden heute beispielsweise Phagen als Vektoren für bestimmte Gene verwendet und in Bakterien eingeschleust. Mithilfe dieser Methode konnten Insulin produzierende Bakterienstämme von Escherichia coli erzeugt werden.
Diese Vektoren gewinnen auch zunehmende Bedeutung für die Herstellung anderer Wirkstoffe. Zur Behandlung von Gendefekten beim Menschen eignen sich Bakteriophagen dagegen nicht, da sie keine menschlichen Zellen befallen; in der Gentherapie werden dafür andere Viren als Genfähren genutzt.
Krankheiten & Beschwerden
Die Erkrankung beginnt mit Anzeichen wie Schluckbeschwerden, Abgeschlagenheit, Übelkeit und Bauchschmerzen. Auf den Mandeln zeigt sich ein weißer Belag, der faulig süßlich riecht. Häufig kommt es zu Komplikationen wie Lungenentzündungen oder Herzmuskelentzündungen, die tödlich enden können.
Eine weitere, mithilfe von Bakteriophagen ausgelöste, Erkrankung ist der Scharlach. Scharlach wird durch Streptokokken hervorgerufen, die mit Bakteriophagen infiziert sind. Durch diese Infektion erzeugen die Bakterien ein besonders heimtückisches Toxin. Es treten schwere Krankheitszeichen mit Schüttelfrost, Fieber, Erbrechen und Rachenentzündung auf. Zunächst ist die Zunge weiß belegt, färbt sich jedoch nach einigen Tagen himbeerrot. Auch ein Hautausschlag tritt auf. Wäre das Bakterium nicht mit Bakteriophagen infiziert, würde es nur zu einer Mandelentzündung führen.
Auch die Cholera wird durch ein mit Bakteriophagen infiziertes Bakterium mit dem Namen Vibrio cholerae verursacht.
Systematik und Vielfalt
Bakteriophagen bilden keine einheitliche Verwandtschaftsgruppe, sondern umfassen sehr verschiedene Virusgruppen, die eines gemeinsam haben: Sie vermehren sich in Bakterien oder Archaeen. Eingeteilt wurden sie lange nach ihrem Aussehen unter dem Elektronenmikroskop. Die größte Gruppe stellen die geschwänzten Phagen, zu denen auch die im Abschnitt zuvor beschriebenen T-Phagen gehören; sie werden heute als eigene Klasse geführt, während die früher gebräuchliche Einteilung nach der Länge und Beweglichkeit des Schwanzes nur noch als Beschreibung der Gestalt verwendet wird, weil sie die tatsächliche Verwandtschaft nicht abbildet.
Daneben gibt es schwanzlose Phagen mit vielflächigem Kapsid, fadenförmige Phagen, die ihr Erbgut in einer langen, biegsamen Hülle tragen, sowie Phagen mit einer Lipidhülle. Auch das Erbmaterial ist unterschiedlich: Neben doppelsträngiger DNA, die bei der Mehrzahl vorliegt, kommen einzelsträngige DNA sowie einzel- und doppelsträngige RNA vor. Die Größe des Erbguts reicht von wenigen Genen bis zu Genbeständen, die den kleinsten Bakterien nahekommen; solche besonders großen Phagen werden als Jumbo-Phagen bezeichnet.
Einige Phagen sind über ihre Erforschung hinaus zu festen Begriffen der Biologie geworden. Der Phage Lambda, der Escherichia coli befällt, ist das Standardbeispiel für einen Phagen, der sein Erbgut in das Bakterienchromosom einbauen kann. Der fadenförmige Phage M13 verlässt sein Wirtsbakterium, ohne es abzutöten, und wird deshalb im Labor besonders gern eingesetzt. Der sehr kleine Phage PhiX174 wurde als eines der ersten Erbgutmoleküle überhaupt vollständig entziffert und diente damit als Prüfstein für die Verfahren der Erbgutanalyse.
Lytischer und lysogener Vermehrungsweg
Der im Abschnitt über Vorkommen und Eigenschaften beschriebene Ablauf mit Auflösung der Wirtszelle wird als lytischer Weg bezeichnet. Ein Teil der Phagen kann jedoch einen zweiten Weg einschlagen. Diese sogenannten temperenten Phagen bauen ihr Erbgut nach dem Einschleusen in das Chromosom des Bakteriums ein oder halten es als eigenständigen Ring in der Zelle. In diesem Zustand heißt der Phage Prophage; das Bakterium wird lysogen genannt. Es lebt und teilt sich weiter und gibt das Phagenerbgut bei jeder Zellteilung an seine Nachkommen weiter, ohne dass neue Viren entstehen.
Der Prophage wird dabei nicht einfach still gelegt: Ein von ihm gebildetes Eiweiß unterdrückt gezielt jene Gene, die für den Bau neuer Viren nötig wären. Gerät das Bakterium unter Stress – etwa durch Schäden an seinem Erbgut, wie sie ultraviolettes Licht oder bestimmte Chemikalien verursachen –, wird dieser Riegel gelöst. Der Prophage löst sich aus dem Chromosom, und die Vermehrung schlägt in den lytischen Weg um. Aus einer scheinbar unauffälligen Bakterienkultur können so binnen kurzer Zeit große Mengen an Viren freigesetzt werden.
Für die Medizin ist der lysogene Weg deshalb bedeutsam, weil das Phagenerbgut Gene mitbringen kann, die dem Bakterium neue Eigenschaften verleihen. Dieser Vorgang heißt lysogene Konversion und erklärt die im Abschnitt über Krankheiten geschilderte Rolle der Phagen bei Diphtherie, Scharlach und Cholera: Nicht das Bakterium selbst, sondern der in ihm sitzende Prophage trägt in diesen Fällen den Bauplan des entscheidenden Giftes. Auch die Gifte bestimmter Darmbakterien, etwa der als EHEC bezeichneten Stämme, gehen auf eingebaute Phagen zurück. Beim Zusammenbau neuer Viren kann zudem versehentlich Erbgut des Wirtsbakteriums mit eingepackt und beim nächsten Befall in ein anderes Bakterium übertragen werden. Diese Transduktion genannte Übertragung ist einer der Wege, auf denen sich Eigenschaften – darunter auch Antibiotikaresistenzen – zwischen Bakterien ausbreiten. Für die Phagentherapie folgt daraus eine praktische Regel: Verwendet werden bevorzugt Phagen, die ausschließlich den lytischen Weg beschreiten.
Die Abwehr der Bakterien gegen Phagen
Bakterien sind ihren Viren nicht schutzlos ausgeliefert; im Gegenteil haben sie eine ganze Reihe von Abwehrmechanismen ausgebildet. Der einfachste besteht darin, die Andockstelle an der Zelloberfläche zu verändern, sodass der Phage sich nicht mehr anheften kann – ein Weg, der allerdings oft mit Nachteilen für das Bakterium verbunden ist, weil diese Oberflächenstrukturen meist auch eine eigene Aufgabe erfüllen.
Ein zweiter Mechanismus sind die Restriktions-Modifikations-Systeme. Das Bakterium versieht sein eigenes Erbgut an bestimmten kurzen Abschnitten mit chemischen Markierungen. Fremde, nicht markierte DNA wird an genau diesen Abschnitten von einem Schneideenzym zerlegt. Diese Enzyme, die ursprünglich als Abwehr gegen Phagen entstanden sind, wurden zu den wichtigsten Werkzeugen der Gentechnik: Weil jedes von ihnen eine bestimmte Buchstabenfolge erkennt, lässt sich Erbgut mit ihrer Hilfe planvoll zerschneiden und neu zusammensetzen.
Der bekannteste Abwehrmechanismus ist jedoch ein anderer. Viele Bakterien und Archaeen bewahren in ihrem Erbgut kurze Stücke von Phagen-DNA auf, die sie bei früheren Angriffen erbeutet haben. Diese Abschnitte liegen in regelmäßigen Abständen hintereinander und dienen als eine Art Gedächtnis: Nach ihrem Vorbild werden Suchmoleküle hergestellt, die zusammen mit einem Schneideenzym das Erbgut eines eindringenden Phagen aufspüren und zerteilen. Bakterien besitzen damit eine Form der erworbenen Abwehr, die der Immunantwort höherer Lebewesen im Ergebnis ähnelt. Aus dem Verständnis dieses Systems ging das Verfahren hervor, das heute als Genschere zur gezielten Veränderung von Erbgut eingesetzt wird und für das der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde. Der Anstoß dazu kam aus der Lebensmittelforschung: Bei Milchsäurebakterien, die zur Herstellung von Joghurt und Käse verwendet werden und deren Ausfall durch Phagenbefall ein altes Problem der Molkereiwirtschaft ist, wurde der Zusammenhang zwischen den gespeicherten Abschnitten und der Widerstandsfähigkeit gegen bestimmte Phagen erstmals nachgewiesen.
Aus diesem Wettstreit ergibt sich, dass Bakterien und Phagen sich fortwährend aneinander anpassen. Phagen entwickeln Gegenmittel gegen die Abwehr, Bakterien wiederum neue Schutzmechanismen. Diese wechselseitige Evolution gilt als einer der stärksten Antriebe für die Vielfalt des bakteriellen Erbguts.
Nachweis und Untersuchung
Phagen werden im Labor über ihre Wirkung sichtbar gemacht. Dazu wird eine dünne Schicht Nährmedium mit dem betreffenden Bakterium beimpft, sodass nach der Bebrütung ein gleichmäßiger, trüber Bakterienrasen entsteht. Trifft ein Phage auf diesen Rasen, tötet er das getroffene Bakterium und dessen Nachbarn ab; zurück bleibt ein klarer runder Hof, der als Plaque bezeichnet wird. Jeder Hof geht auf ein einzelnes Viruspartikel zurück, sodass sich aus der Zahl der Höfe die Menge vermehrungsfähiger Phagen in einer Probe bestimmen lässt. Gestalt, Größe und Randschärfe der Höfe geben zugleich Hinweise darauf, ob es sich um einen rein lytischen oder um einen temperenten Phagen handelt.
Für die genauere Untersuchung dient das Elektronenmikroskop, mit dem sich Kopf, Schwanz und Grundplatte darstellen lassen. In den vergangenen Jahren hat daneben die Entzifferung des Erbguts an Bedeutung gewonnen, auch unmittelbar aus Umweltproben, ohne dass die Phagen zuvor angezüchtet werden müssten. Auf diesem Weg wurde deutlich, wie viele bislang unbekannte Phagen in Böden, Gewässern und im menschlichen Darm vorkommen. Für die Phagentherapie ist die Erbgutanalyse zusätzlich eine Sicherheitsprüfung: Sie soll ausschließen, dass ein eingesetzter Phage Gene für Gifte oder für Antibiotikaresistenzen mitführt.
Ökologische Bedeutung
Phagen zählen zu den häufigsten biologischen Gebilden überhaupt und kommen überall dort vor, wo Bakterien leben – im Boden, im Süß- und Salzwasser, in Sedimenten, auf Pflanzen und in den Verdauungsorganen von Tier und Mensch. In Gewässern töten sie einen erheblichen Teil der Bakterien ab und setzen dabei deren Zellinhalt wieder frei. Die gelösten Nährstoffe stehen anschließend den überlebenden Mikroorganismen zur Verfügung, statt über größere Fresstiere in die Nahrungskette einzutreten. Dieser Kurzschluss im Stoffkreislauf hat Einfluss darauf, wie viel Kohlenstoff in tiefere Wasserschichten absinkt, und damit auf Vorgänge weit über die Mikrobiologie hinaus.
Weil jeder Phage nur ein enges Spektrum an Wirtsbakterien befällt, wirken Phagen zugleich als Regler der Artenzusammensetzung: Vermehrt sich eine Bakterienart stark, wächst der Druck durch die zu ihr passenden Phagen, sodass keine Art dauerhaft die Oberhand behält. Auch im menschlichen Darm findet sich neben der bakteriellen Darmflora eine große Zahl von Phagen, deren Zusammensetzung von Mensch zu Mensch verschieden und über längere Zeiträume erstaunlich beständig ist. Welche Rolle sie für die Gesundheit spielen, ist Gegenstand laufender Untersuchungen; naheliegend ist, dass sie das Gleichgewicht der Darmbakterien mitbestimmen.
Quellen
- Suerbaum, S., Burchard, G.-D., Kaufmann, S. H. E., Schulz, T. F. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie.
ISBN: 9783662613849
- Modrow, S., Truyen, U., Schätzl, H.: Molekulare Virologie.
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- Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie.
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- Kayser, F. H., Böttger, E. C., Deplazes, P., et al.: Taschenlehrbuch Medizinische Mikrobiologie.
ISBN: 9783132447936
- Holtmann, H., Holtmann, J., Lommen, J., Schorn, L. K.: BASICS Medizinische Mikrobiologie, Hygiene und Infektiologie.
ISBN: 9783437414718