Was sind Bakteriophagen (Phagen) und wie wirken sie?

Bakteriophagen, kurz: Phagen (griechisch: phagein = fressen), sind im biologischen Sinn Viren, die jedoch nur Bakterien angreifen und auflösen (fressen, also „Bakterienfresser“). Dieses Auflösen wird auch lysieren genannt.

Phagen können sich nicht alleine, sondern ausschließlich in Bakterienzellen vermehren: Bakterien sind ihre „Wirte“. (Video: "Der Vermehrungszyklus von Bacteriophagen")

Ein Phage ist sehr viel kleiner als eine Bakterienzelle und besteht lediglich aus seiner Erbsubstanz (Nukleinsäure, meist DNA), die in eine Proteinhülle eingebettet ist.

Diese Hülle wird „Kopf“ des Phagen genannt, mit kristallähnlicher Form, die nur im Elektronenmikroskop sichtbar ist. Außerdem hat ein Phage einen „Schwanz“ aus Protein mit einer Feinstruktur am Ende, welche die Stelle zum Anheften an die Bakterien-Zelloberfläche enthält, den Rezeptor.

Er ist derart spezifisch für bestimmte Bakterien, dass ein Phage nur Bakterien mit passender Zelloberfläche angreifen kann. Dabei heftet sich der Phage an die Oberfläche seines Wirtsbakteriums, schießt sein Erbmaterial aus dem Kopf in das Bakterium, das nun veranlasst wird, mittels seiner Enzym-Ausstattung eine neue Phagengeneration herzustellen: so entstehen aus einem einzigen Bakterium viele neue Phagen in so hoher Zahl, dass die Bakterienzelle platzt und die vielen jungen Phagen entlässt. Sie strömen aus, um sofort weitere „passende“ Bakterienzellen zu befallen. Sichtbar wird diese Lyse in Form gut sichtbarer Löcher auf dicht bewachsenen Bakterienschichten.

Da die Zahl der neuen Phagen meist sehr groß ist, ist leicht vorstellbar, dass Phagen die passenden Bakterien in ihrer Nähe vollständig und schnell befallen (wegfressen), da die Bakterien so lange mit Sicherheit von den Phagen zerstört werden wie Phagen vorhanden sind und die Rezeptoren „passen“.

In den riesigen Zahlen von Bakterienzellen an einem bestimmten Standort kommt es zu einem statistischen Auftreten von Mutationen, die dazu führen können, dass vereinzelte Bakterienzellen resistent gegen den spezifischen Phagen werden. Jedoch bleiben die phagenresistenten Bakterien in der Minderheit und zugleich entwickelt sich der Phage „mit“: auch er entwickelt Mutationen, die wiederum die resistenten Bakterien betreffen (den Rezeptor), d.h. der Phage wird die Bakterien weiterhin angreifen.

Dieses Geschehen der „Populationsdynamik“ spiegelt vereinfacht die Evolution an einem Standort, wo Bakterien und zu ihnen passende Phagen vorkommen. In der Natur jedoch ist der Wettlauf zwischen Bakterium und Phage unter vielfachen Gesichtspunkten und meist rein wissenschaftlich zu betrachten.

Wenn das Ziel der Phagen-Anwendung bzw. –therapie aber im Vordergrund steht, eine dichte spezifische Bakterienbesiedelung durch Phagen zu bekämpfen, so betrachtet man nur die Bakterien, die von Interesse sind und einen passenden Phagen, d.h. ein spezielles Phage-Wirt-Zusammenspiel.

Der „Standort“ ist dann z.B. nicht Gartenerde oder eine Wasserpfütze, sondern eine Eiterwunde des menschlichen Körpers, ein Abszess, ein chronischer Entzündungsprozess, ein hartnäckiger Bakterienfilm der oberen Atemwege, eine infizierte Brandwunde u.v.m. An solchen Stellen des erkrankten Körpers sind die Bakterienzahlen oft extrem ausgeufert, das menschliche Immunsystem schafft die Abwehr nicht mehr, Antibiotika sind die letzte Möglichkeit, die Bakterien zu bekämpfen.

Es gibt viele verschiedene Antibiotika, die alle einigen verschiedenen chemischen Stoffklassen zugeordnet werden können. Antibiotika sind mehr oder weniger spezifisch gegen bestimmte Bakterien, aber nie spezifisch gegen eine bestimmte Bakterienart und noch viel weniger spezifisch gegen bestimmte Stämme einer Bakterienart, im Gegensatz zu Phagen, die fast immer nur Bakterien einer Art angreifen und manchmal nur wenige Stämme innerhalb dieser Bakterienart.

Diese hohe Spezifität ist typisch für Phagen, bedingt durch ihre Biologie: die Spezifität eines Phage-Wirt-Systems ist ähnlich einer Schlüssel-Schloss-Funktion.

Damit sind Phagen eine grundsätzlich andere, aber biologisch logische Alternative zu Antibiotika: findet man einen Phagen gegen ein krankmachendes (pathogenes) Bakterium und setzt ihn dagegen ein, so kann das Bakterium schnell, spezifisch und ohne bekannte Nebenwirkungen abgetötet werden, denn der Phage lässt andere Bakterien, z.B. die wichtige Darmflora, unangetastet.

Hat der Phage die Zielbakterien vernichtet, so geht er selbst mangels „Nahrung“ zugrunde und zerfällt in seine Bestandteile, die der menschliche Körper ohne Probleme verstoffwechselt: ist die Bakterienzahl unter die Nachweisgrenze gesunken, so wird der Phage durch das Reticulo-Endothel-System beseitigt. Damit ist die therapeutische Phagenwirkung „selbst-begrenzend“.

Während Antibiotika Bakterien meist im Wachstum hemmen und in der schnellsten Vermehrungsphase angreifen, töten (lysieren) Phagen die Bakterien unabhängig von deren Wachstumsphase.

Da Phagen die häufigsten lebenden Einheiten der Erde sind (Schätzungen zufolge zehnfach häufiger als Bakterien) und überall frei vorkommen wo passende Bakterien sind, kennt der menschliche Körper und sein Immunsystem Phagen aus der langen Geschichte der Evolution, wir nehmen ständig Phagen mit Wasser und Nahrung und durch Kontakt mit natürlichen Materialien auf, unsere Darmflora enthält Phagen in immensen Mengen, ähnlich einem komplexen Ökosystem im Gleichgewicht.

Dies und ihre einfache Zusammensetzung ist wohl der Grund, warum Phagen keine Allergien auslösen.