Bakteriophage ϕ29 in der DNA-Forschung

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Durch die Erforschung der Bakteriophage ϕ29 entwickelte Margarita Salas eine Technik, die aus der heutigen DNA-Analyse nicht mehr wegzudenken ist.

Geschrieben und geprüft von der Biologin María Muñoz Navarro.

Letzte Aktualisierung: 21. Dezember 2022

Margarita Salas war eine spanische Biochemikerin, die 2019 mit dem Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet wurde. Den größten Teil ihrer wissenschaftlichen Karriere erforschte sie das Bakteriophage-Virus namens ϕ29 (phi29), welches heute wichtige biotechnologische Anwendungen hat.

Um dir eine Vorstellung von diesem Virus zu geben, das Wort Bakteriophage stammt aus der Kombination von “Bakterie” und “Phage” (was auf Griechisch “essen” bedeutet). Es handelt sich also um ein Virus, das Bakterien “frisst”.

Im Folgenden berichten wir so einfach wie möglich über die große Entdeckung, die Salas über diese azelluläre Einheit gemacht hat, und den Nutzen, den dies für die Forschung hat.

Struktur eines Virus

Ein Virus ist ein mikroskopischer Erreger, der zahlreiche Organismen infiziert, von Tieren, Pflanzen und Pilzen bis hin zu Bakterien. Viren haben keine eigene Entität, das heißt, sie sind auf andere Zellen angewiesen, um sich zu vermehren, daher gelten sie als obligate Parasiten.

Im Inneren enthält es das genetische Material, DNA oder RNA, das notwendig ist, um seine Proteine zu kodieren. Außen ist es von einer Kapsel umhüllt, in der sich die Adhäsionsproteine befinden, mit denen es sich an die Oberfläche anderer Zellen anbindet.

Der Begriff Bakteriophage und seine Bedeutung

Bakteriophagen (oder Phagen) sind Viren, die Bakterien infizieren. Einerseits gibt es solche, die ihr Genom in das Chromosom der Wirtszelle integrieren (lysogene Phagen) und das Bakterium mit Genen versehen, die neue Proteine kodieren.

Und andererseits gibt es solche, die sich innerhalb derselben Zelle vermehren und anschließend deren Lysis bewirken (lysische Phagen).

Ihre Bedeutung ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, Bakterienpopulationen zu reduzieren.

Ihr Einsatz geht auf die 1920er Jahre zurück, als Felix d’Herelle einem 12-jährigen Jungen einen Phagen zur Behandlung der Ruhr verabreichte, woraufhin die Symptome verschwanden und er sich innerhalb weniger Tage erholte.

Richard Bruynoghe und Joseph Maisin behandelten 1921 eine durch Staphylokokken (Staphylococcus spp.) verursachte Hauterkrankung mit Bakteriophagen und der Zustand der Patienten verbesserte sich innerhalb von 24 bis 48 Stunden zunehmend. Darüber hinaus wurden Bakteriophagen auch eingesetzt, um Tausende von Menschen mit Cholera oder Beulenpest zu behandeln.

Heutzutage wird die Phagotherapie in der Lebensmittelindustrie zur Kontrolle von Escherichia coli O157:H7 und in der medizinischen Praxis zur Behandlung von peritonealen Infektionskrankheiten, externer Otitis oder zur Eliminierung von Pseudomonas aeruginosa bei Menschen mit zystischer Fibrose eingesetzt.

Margarita Salas und der Bakteriophage ϕ29

Margarita Salas, eine diplomierte Biochemikerin, war eine der großen Wissenschaftlerinnen Spaniens. Sie war Schülerin von Severo Ochoa (Nobelpreis für Medizin), mit dem sie in den USA zusammenarbeitete.

Beginnend in den sechziger Jahren widmete sie 45 Jahre ihres Lebens dem Studium des Phagen ϕ29. Ihr Projekt zu diesem Krankheitserreger beruhte auf drei Merkmalen:

Seine geringe Größe (20 Gene).
Die Komplexität der Morphologie.
Es war ein Phage, über den kaum etwas bekannt war.

Der Bakteriophage ϕ29 ist ein lytisches Virus, das zur Familie der Podoviridae gehört. Es besteht aus einem doppelsträngigen DNA-Molekül und infiziert das Bakterium Bacillus subtilis und andere Bakterien der Gattung Bacillus.

Dieser Bakteriophage gilt als Studienmodell in der Molekularbiologie für das Verständnis der Genexpressionskontrolle und verschiedener biologischer Mechanismen, wie der DNA-Replikation (Verdopplung).

Obwohl Salas Arbeit Grundlagenforschung war, hat ihre Entdeckung heutzutage eine wichtige biotechnologische Anwendung. Die Verwendung des Enzyms DNA-Polymerase aus dem Bakteriophage ϕ29 zur DNA-Vervielfältigung.

Um dir das Verständnis für dieses Ereignis zu vereinfachen, muss man dazu sagen, dass Enzyme Proteine sind. Diese beschleunigen die chemischen Reaktionen, die in allen Organismen ablaufen. In diesem Fall führt die DNA-Polymerase die DNA-Synthese aus einer DNA durch, die als Vorlage dient.

Aber… Was ist DNA-Amplifikation?

Die DNA-Amplifikation wird durch ein Verfahren im Labor durchgeführt. Diese Methode nennt man PCR (Polymerase-Kettenreaktion). Dabei erhält man aus einer kleinen Menge der gewünschten DNA Millionen von Kopien dieser Sequenz, was ihre Analyse und Identifizierung erleichtert.

Der Entwickler dieser Methode, Kary Mullis, wurde 1993 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Die Entdeckung des Enzyms DNA-Polymerase aus der Bakteriophage ϕ29 durch Salas ermöglicht die Amplifikation aus viel kleineren Fragmenten, sogar von der Größe einer Zelle, mit weniger als einem Fehler in einer Million Basenpaaren.

Dieses System kennt man als MDA (Multidisplacement Amplification). Auf diese Weise sind die DNA-Tests schneller und zuverlässiger.

Abschließend muss noch betont werden, dass die von ihr entwickelte Technik vielfältige Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen wie der Onkologie, der Archäologie und der Rechtsmedizin hat.

So kann zum Beispiel der Besitzer eines am Tatort gefundenen Haares identifiziert werden und Onkologen können sich Subpopulationen kleiner Zellen nähern, aus denen sich Tumore entwickeln können.

Margarita Salas hat ihr ganzes Leben der Forschung gewidmet. Sie gilt als eine bedeutende Persönlichkeit in der Wissenschaft und ihre Entdeckung wird noch viele Türen zu neuen wissenschaftlichen Fortschritten öffnen.