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Eine neue Studie hat herausgefunden, dass bakterienbefallende Viren (Bakteriophagen oder kurz Phagen), ähnlich wie wir Menschen, mithilfe einer Spieltheorie alle Optionen abwägen und schließlich eine Entscheidung treffen. Die Entscheidung ist, ob die Zeit gekommen ist, ihren ruhenden (dormant) Zustand zu verlassen und ihren bakteriellen Wirt anzugreifen.
Die Studie wurde von Prof. Avigdor Eldar von der Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research der Universität Tel Aviv zusammen mit seinen Partnern vom Weizmann Institute of Science geleitet. Die Arbeit wurde im Dezember 2021 in der Zeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht.
Phagen sind Viren, die Bakterien angreifen. Viele Bakteriophagen können in einem von zwei Zuständen existieren: aktiv (Lyse), wobei die Phagen Bakterien angreifen und zerstören, oder ruhend (dormant), wobei sie passiv in den Bakterien verbleiben und sich selbst vermehren, aber keinen Schaden mehr anrichten (Lysogenie).
Phagen dieses ruhenden Typs müssen sich jedes Mal, wenn sie einen neuen Wirt infizieren, "entscheiden", ob sie aktiv oder inaktiv sein wollen. Entscheiden sie sich für die Ruhephase, müssen sie auch entscheiden, wann sie "aufwachen" und angreifen. Wie bei allen Dilemmas ist es wichtig, die Entscheidung auf solide, zuverlässige Informationen zu stützen.
Man geht seit einiger Zeit davon aus, dass ein Phage seine "Entscheidung", den Ruhezustand zu verlassen, von Informationen über den Zustand seines bakteriellen Wirts abhängig macht. Wenn der Wirt Anzeichen erheblicher DNA-Schäden zeigt (sozusagen im Todeskampf), ist es im "Interesse" des Phagen, ihn sofort zu verlassen und zu versuchen, dafür andere Bakterien zu infizieren. Die neue Studie entdeckte einen zusätzlichen Mechanismus der Kommunikation zwischen Bakterien und Phagen: Offenbar haben einige Phagen-Familien eine komplexere Entscheidungsstrategie entwickelt, eine Art "Phagen-Spieltheorie", bei der der Phage nicht nur Informationen von seinem eigenen Wirt, sondern auch von benachbarten Bakterien erhält.
Eldar erklärt: "Wenn ein Phage in einer Bakterienzelle schlummert, zwingt er seinen Wirt, ständig kleine Kommunikationsmoleküle namens Arbitrium zu produzieren, auf die der Phage über einen speziellen Rezeptor hört."
Das Vorhandensein hoher Mengen dieser Arbitrium-Moleküle zeigt an, dass benachbarte Bakterien ebenfalls Phagen enthalten. Wenn dies der Fall ist, wird der Phage nicht aktiv, selbst wenn sein eigener Wirt DNA-Schäden aufweist. Da jedes Bakterium nur einen ruhenden Phagen beherbergen kann, trifft der Phage eine "Entscheidung": Es ist besser, den kranken Wirt versuchen zu lassen, sich selbst zu reparieren, als ihn zu "verraten", da alle benachbarten Bakterien bereits besetzt sind. Eldar und sein Team setzten nun eine Reihe genetischer und biomolekularer Methoden ein, um die biochemischen Kommunikationssignale zwischen den Bakterien und Phagen zu verfolgen. In einer früheren Studie zeigten sie mit Hilfe eines Fluoreszenzmarkers, dass die von Phagen verwendeten Kommunikations-Methoden sowie eine große Familie ähnlicher Kommunikationssysteme (allgemein als "Quorum Sensing" bekannt) nur dazu verwendet werden, Signale von nahen Nachbarn zu erhalten.
"Im Wesentlichen haben die Bakterien zwei getrennte Kommunikationssysteme entwickelt - eines für die Kommunikation über große Entfernungen und das andere nur für kurze Entfernungen, um den Zustand ihrer unmittelbaren Nachbarn zu erfassen", schreibt Eldar. "Im Fall des Phagen kontrolliert er die Kommunikation und ist nur daran interessiert zu wissen, ob seine unmittelbaren Nachbarn, die er leicht infizieren könnte, bereits besetzt sind."
Er faßt zusammen: "Vor einigen Jahren haben Prof. Rotem Sorek und sein Team am Weizmann-Institut zum ersten Mal die Kommunikation zwischen Phagen nachgewiesen. Solche Systeme waren bereits zwischen anderen molekularen Parasiten bekannt, die von Bakterien beherbergt werden (sogenannte Plasmide). Unsere Entdeckung ist die Tatsache, dass Phagen sogar in ihrem Ruhezustand kommunizieren. Wir haben Komponenten identifiziert, die entscheidend für das Verständnis sind, wie Phagen Informationen über den Zustand ihres Wirts mit Informationen über ihre Nachbarn kombinieren." Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entschlüsselung der Kommunikation und der "Verhaltensökonomie" von Viren.
"Phagen haben eine hervorragende Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten und die richtige Entscheidung zu treffen, um ein optimales Überleben zu gewährleisten. Es wird interessant sein zu sehen, ob Viren, die in komplexeren Organismen leben, aber vor ähnlichen Entscheidungen stehen, auch vergleichbare Kommunikationssysteme entwickelt haben. "Mein Kollege Prof. Charles Coutelle (Imperial College) in London meint dazu auf meine Anfrage per Email: "Den Phagen einen freien Willen, eine bewußte Entscheidung, zuzuordnen, halte ich persönlich für zumindest falsch (teleonomisch) formuliert. Offensichtlich hat sich evolutionär ein sehr komplexes molekulares Regelwerk entwickelt, dass dem Phagen die entsprechende Signal-Kombinationen übermittelt, durch das in der Regel das beste Überlebensverhalten resultiert. Aber solche Regelwerke sind ja prinzipiell durchaus bei fast allen biologischen Verhaltensmustern wirksam."
Fazit: Es bleibt spannend mit den Viren!
Referenzen:
1. Nature Microbiology, Dezember 2021(https://doi.org/10.1038/s41564-021-01008-5)
2. Mitteilung der Botschaft Israels in Deutschland, Dezember 2021