Kleine Viren – Große Wirkung?
Wie Bakteriophagen Ökosysteme steuern
Angela Muraya (Mitte) begutachtet ihre Pflanzen mit Natia Geliashvili (links) und Bas E. Dutilh (rechts).
Sie sind die stillen Dirigenten, die verborgen im Boden unter unseren Füßen leben: Viren, genauer gesagt
sogenannte Bakteriophagen, haben einen großen Einfluss auf das Leben – und das nicht nur unter der Erde. Sie orchestrieren bakterielle Netzwerke, stabilisieren Ökosysteme und können so möglicherweise die Zukunft einer nachhaltigen Landwirtschaft gestalten. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Bas E. Dutilh untersucht mit modernsten Methoden, wie diese winzigen Akteure in Ökosystemen funktionieren. Eingebettet in den Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« untersucht die Gruppe, wie Viren nicht nur schaden, sondern auch die Grundlage für Vielfalt und Gleichgewicht schaffen.
Text: Juliane Seeber
Die enge Zone des Bodens, die Pflanzenwurzeln umgibt, wird als »Rhizosphäre« bezeichnet. Dieser Bereich
ist ein Hotspot für unzählige Mikroorganismen und gilt als eines der komplexesten Ökosysteme der Erde. »In der Rhizosphäre einiger Pflanzen findet ein besonders faszinierendes Zusammenspiel statt: Stickstofffixierende Rhizobien-Bakterien kooperieren mit Hülsenfrüchten, um deren Wachstum zu fördern«, erläutert Bas E. Dutilh, Professor im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« und Leiter der Forschungsgruppe für Virale Ökologie und Omics (VEO).
Die Pflanzen werden in Beuteln mit blauem Hintergrund aufgezogen, damit ihre Wurzelknöllchen automatisch erkannt werden können.
Foto: Anna SchrollArchitekten mikrobieller Netzwerke
Doktorandin Angela Muraya aus Bas Dutilhs VEO-Team untersucht die Rolle von Bakteriophagen in diesem harmonischen dreiteiligen System. »Einerseits könnten Phagen beeinflussen, welche Rhizobien für die Knöllchenbildung zur Verfügung stehen; andererseits könnten die Bakterien in den Wurzelknöllchen der Pflanze einen geschützten Zufluchtsort finden. Da all diese Aspekte sich entwickelnde Eigenschaften sind, könnten die daraus resultierenden öko-evolutionären Dynamiken das Pflanzenwachstum und den Ernteertrag beeinflussen«, erklärt die Nachwuchswissenschaftlerin die Grundannahmen ihrer Untersuchungen.
Obwohl Rhizobien Phagenangriffe abwehren können, indem sie resistent werden, wird vermutet, dass dies zu einem Verlust ihrer Fähigkeit führen könnte, mit Pflanzen zu kooperieren. Angela Muraya möchte herausfinden, ob und warum dieser Kompromiss auftritt und wie das Gleichgewicht zwischen Phagen, Rhizobien und Pflanzen aufrechterhalten werden kann. Ziel ihrer Untersuchungen ist es, die genetischen und biologischen Prozesse besser zu verstehen, die das empfindliche Gleichgewicht in der Rhizosphäre beeinflussen.
Evolution in Aktion
Bakteriophagen sind wahre Meister der Anpassung. In Laborexperimenten zeigen einige Phagen eine bemerkenswerte Fähigkeit, auf einen neuen Wirt umzuschalten: Nach nur wenigen Evolutionszyklen können sie erfolgreich zuvor resistente Wirte infizieren. Andere Phagen besitzen diese Fähigkeit nicht.
Doktorand Wallapat Phongtang, der ebenfalls in der Forschungsgruppe von Bas Dutilh arbeitet, untersucht, wie diese Evolvierbarkeit entsteht, also die Fähigkeit von Lebewesen, durch Veränderung ihrer Gene eine Veränderung ihrer Merkmale herbeizuführen. »Wir vermuten, dass sich Phagen aufgrund spezifischer genomischer Merkmale in ihrem ›Wirtswechselpotenzial‹ unterscheiden. Wir haben Methoden entwickelt, um diese Fähigkeit zu quantifizieren«, sagt Phongtang.
Mit ihren Untersuchungen versuchen die Forschenden ein Fenster in die Welt dieser evolutionären Dynamik zu öffnen. »Gibt es Gene oder andere Mechanismen, die es Phagen ermöglichen, ihr Wirtsspektrum zu erweitern? Inwieweit sind diese Mutationen auf spezifische genomische Regionen ausgerichtet? Wie verändern sich bakterielle Gemeinschaften, wenn Phagen ihr Wirtsspektrum erweitern?«, zählt Wallapat Phongtang seine Fragestellungen auf. Solche Erkenntnisse seien entscheidend, um die Rolle der Phagen in ihren Ökosystemen besser zu verstehen und würden gleichzeitig interessante Möglichkeiten für biotechnologische Anwendungen bieten.
Mit Hightech den Phagen auf der Spur
Im Team von Bas Dutilh verwendet die Doktorandin Natia Geliashvili innovative Technologien der synthetischen Biologie, um Phagenlinien in solchen komplexen mikrobiellen Gemeinschaften zu verfolgen. Durch den Einsatz genetischer Marker und sogenannter Protein-Tags können Phagen in Ökosystemen »markiert« und dank dieser Markierung beobachtet werden.
Natia Geliashvili arbeitet mit speziellen Methoden, um markierte Phagenmutanten in zellfreien Systemen herzustellen. Das bedeutet, dass sie Phagen direkt aus synthetischer DNA im Labor »starten« kann, ohne lebende Zellen als Wirte zu benötigen. Dieser Ansatz erlaubt es, Phagen flexibel zu gestalten und zu verändern, um ihre Eigenschaften und ihr Verhalten besser zu verstehen. Durch die Verbindung dieser modernen Technologien mit evolutionären Experimenten eröffnet die VEO-Gruppe spannende neue Wege, um die Welt der Viren und ihre Ökosysteme genauer zu erforschen.
Phagen als nachhaltige Helfer
Die Ergebnisse dieser Studien könnten das Verständnis von mikrobiellen Ökosystemen revolutionieren und zu praktischen Anwendungen führen. Zum Beispiel könnten Phagen gezielt in der Landwirtschaft eingesetzt werden, um schädliche Bakterien zu kontrollieren und das Pflanzenwachstum nachhaltig zu fördern. Gleichzeitig liefern die Studien entscheidende Erkenntnisse, um die Stabilität und Gesundheit von Bodensystemen zu erhalten.
Bas Dutilh, Prof. Dr.
Leiter der AG Virale Ökologie und Omics
Professur Virale Ökologie und Omics