WAS IST DER LYSOGENE ZYKLUS? - BIOLOGIE - 2025

Der lysogene Zyklus , auch Lysogenese genannt, ist ein Stadium im Reproduktionsprozess einiger Viren, hauptsächlich solcher, die Bakterien infizieren. In diesem Zyklus fügt das Virus seine Nukleinsäure in das Genom der Wirtsbakterien ein.

Dieser Zyklus bildet zusammen mit dem Lysezyklus die beiden Hauptreplikationsmechanismen von Viren. Wenn der Bakteriophage während des lysogenen Zyklus seine DNA in das Bakteriengenom einfügt, wird er zu einem Prophagen.

Zlir'a. Spanische Version von Alejandro Porto über Wikimedia Commons

Mit diesem Prophagen infizierte Bakterien leben und vermehren sich weiter. Wenn eine bakterielle Reproduktion auftritt, wird auch eine Replik des Prophagen erhalten. Dies führt dazu, dass jede Tochterbakterienzelle auch vom Prophagen infiziert wird.

Die Vermehrung der infizierten Bakterien und damit ihres Wirtsprophagen kann über mehrere Generationen fortgesetzt werden, ohne dass eine Manifestation des Virus auftritt.

Manchmal, spontan oder unter Umweltstressbedingungen, trennt sich die DNA des Virus von der bakteriellen. Wenn die Trennung des Bakteriengenoms erfolgt, initiiert das Virus den Lysezyklus.

Dieses Fortpflanzungsstadium des Virus verursacht den Bruch der Bakterienzelle (Lyse), wodurch neue Kopien des Virus freigesetzt werden. Eukaryontische Zellen können auch von lysogenen Viren angegriffen werden. Es ist jedoch noch nicht bekannt, wie die Insertion der viralen DNA in das Genom der eukaryotischen Zelle erfolgt.

Bakteriophagenvirus, das sein Genom in Bakterien injiziert. Entnommen und bearbeitet von: Thomas Splettstoesser. (Übersetzt ins Spanische von Alejandro Porto), über Wikimedia Commons.

Der Bakteriophage

Viren, die nur Bakterien infizieren, werden als Bakteriophagen bezeichnet. Sie sind auch als Phagen bekannt. Die Größe dieses Virustyps ist ziemlich variabel, mit einem Größenbereich, der ungefähr zwischen 20 und 200 nm liegen kann.

Bakteriophagen sind allgegenwärtig und können in praktisch jeder Umgebung wachsen, in der Bakterien gefunden werden. Es wurde zum Beispiel geschätzt, dass etwas weniger als drei Viertel der im Meer lebenden Bakterien mit Phagen infiziert sind.

Zyklus der Virusinfektion

Die Virusinfektion beginnt mit der Phagenadsorption. Die Phagenadsorption erfolgt in zwei Stufen. Im ersten Fall, der als reversibel bekannt ist, ist die Interaktion zwischen dem Virus und seinem potenziellen Wirt schwach.

Jede Änderung der Umgebungsbedingungen kann dazu führen, dass diese Interaktion beendet wird. An der irreversiblen Wechselwirkung sind dagegen spezifische Rezeptoren beteiligt, die die Unterbrechung der Wechselwirkung verhindern.

Die DNA des Virus kann nur dann in das Innere des Bakteriums gelangen, wenn die irreversible Wechselwirkung auftritt. Anschließend und abhängig von der Art des Phagen können diese verschiedene Fortpflanzungszyklen durchführen.

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen lytischen und lysogenen Zyklen gibt es zwei weitere Reproduktionszyklen, den kontinuierlichen Entwicklungszyklus und den pseudolysogenen Zyklus.

Lysezyklus

Während dieser Phase erfolgt die Replikation des Virus innerhalb der Bakterien schnell. Am Ende werden die Bakterien einer Lyse ihrer Zellwand unterzogen und die neuen Viren werden in die Umwelt freigesetzt.

Jeder dieser neu freigesetzten Phagen kann ein neues Bakterium angreifen. Durch sukzessive Wiederholung dieses Prozesses kann die Infektion exponentiell wachsen. Bakteriophagen, die am Lysezyklus teilnehmen, werden als virulente Phagen bezeichnet.

Lysogener Zyklus

In diesem Zyklus tritt keine Lyse der Wirtszelle auf, wie dies im Lysezyklus der Fall ist. Nach den Adsorptions- und Penetrationsstadien setzt sich das Stadium der Integration der Phagen-DNA in das der Bakterienzelle fort und wird zu einem Prophagen.

Die Phagenreplikation erfolgt gleichzeitig mit der bakteriellen Reproduktion. Der in das Bakteriengenom integrierte Prophage wird von den Tochterbakterien vererbt. Das Virus kann fortbestehen, ohne sich über mehrere Bakteriengenerationen zu manifestieren.

Dieser Prozess ist häufig, wenn die Anzahl der Bakteriophagen im Vergleich zur Anzahl der Bakterien hoch ist. Viren, die den lysogenen Zyklus durchführen, sind nicht virulent und werden als gemäßigt bezeichnet.

Schließlich können die Prophagen vom Bakteriengenom getrennt und in lytische Phagen umgewandelt werden. Letztere treten in den lithogenen Kreislauf ein, der zur bakteriellen Lyse und Infektion neuer Bakterien führt.

Lytischer und lysogener Zyklus. Entnommen und bearbeitet von: Suly12, von Wikimedia Commons

Kontinuierlicher Entwicklungszyklus

Einige Bakteriophagen führen zahlreiche Replikationen innerhalb von Bakterien durch. In diesem Fall verursacht es im Gegensatz zu dem, was während des lysogenen Zyklus auftritt, keine bakterielle Lyse.

Neu replizierte Viren werden an bestimmten Stellen auf der Zellmembran von Bakterien freigesetzt, ohne dass sie platzen. Dieser Zyklus wird als kontinuierliche Entwicklung bezeichnet.

Pseudolysogener Zyklus

Manchmal ist die Verfügbarkeit von Nährstoffen im Medium schlecht, damit die Bakterien normal wachsen und sich vermehren können. In diesen Fällen wird angenommen, dass die verfügbare zelluläre Energie nicht ausreicht, damit die Phagen Lysogenese oder Lyse erzeugen.

Aus diesem Grund treten die Viren dann in einen pseudolysogenen Zyklus ein. Dieser Zyklus ist jedoch noch wenig bekannt.

Lysogene Umwandlung

Als Produkt der Wechselwirkung zwischen dem Prophagen und dem Bakterium kann das erstere schließlich das Auftreten von Veränderungen im Phänotyp des Bakteriums induzieren.

Dies tritt hauptsächlich auf, wenn die Wirtsbakterien nicht Teil des normalen Zyklus des Virus sind. Dieses Phänomen wird als lysogene Umwandlung bezeichnet.

Die durch die DNA des Prophagen im Bakterium induzierten Veränderungen erhöhen den biologischen Erfolg des Wirts. Durch die Erhöhung der biologischen Kapazität und des Überlebenserfolgs der Bakterien profitiert auch das Virus.

Diese Art der vorteilhaften Beziehung für beide Teilnehmer könnte als eine Art Symbiose eingestuft werden. Es muss jedoch beachtet werden, dass Viren nicht als Lebewesen betrachtet werden.

Der Hauptvorteil von lysogen transformierten Bakterien ist der Schutz vor Angriffen durch andere Bakteriophagen. Die lysogene Umwandlung kann auch die Pathogenität der Bakterien in ihren Wirten erhöhen.

Sogar ein nicht pathogenes Bakterium kann durch lysogene Umwandlung pathogen werden. Diese Veränderung im Genom ist dauerhaft und vererbbar.

Phagotherapie

Die Phagentherapie ist eine Therapie, die aus der Anwendung von Phagen als Kontrollmechanismus besteht, um die Ausbreitung pathogener Bakterien zu verhindern. Diese bakterielle Kontrollmethode wurde erstmals 1919 angewendet.

Bei dieser Gelegenheit wurde es zur Behandlung eines Patienten mit Ruhr angewendet, um ein völlig günstiges Ergebnis zu erzielen. Die Phagentherapie wurde zu Beginn des letzten Jahrhunderts erfolgreich eingesetzt.

Mit der Entdeckung von Penicillin und anderen Antibiotika wurde die Phagentherapie in Westeuropa und auf dem amerikanischen Kontinent praktisch aufgegeben.

Die wahllose Verwendung von Antibiotika ermöglichte das Auftreten von Bakterienstämmen, die gegenüber Antibiotika multiresistent waren. Diese Bakterien werden häufiger und resistenter.

Aus diesem Grund besteht in der westlichen Welt ein neues Interesse an der Entwicklung einer Phagentherapie zur Kontrolle von Kontaminationen und bakteriellen Infektionen.

Vorteile der Phagentherapie

1) Das Wachstum von Phagen erfolgt exponentiell und erhöht ihre Wirkung im Laufe der Zeit. Im Gegensatz dazu verlieren Antibiotika im Laufe der Zeit ihre Wirkung aufgrund der metabolischen Zerstörung des Moleküls.

2) Phagen können Mutationen eingehen, wodurch sie die Resistenz bekämpfen können, die Bakterien gegen ihren Angriff entwickeln könnten. Andererseits haben Antibiotika immer den gleichen Wirkstoff. Wenn Bakterien also Resistenzen gegen solche Wirkstoffe entwickeln, sind Antibiotika nutzlos

3) Die Phagentherapie hat keine Nebenwirkungen, die für den Patienten schädlich sein können.

4) Die Entwicklung eines neuen Phagenstamms ist ein viel schnelleres und billigeres Verfahren als die Entdeckung und Entwicklung eines neuen Antibiotikums.

5) Antibiotika betreffen nicht nur pathogene Bakterien, sondern auch andere potenziell nützliche. Phagen hingegen können speziesspezifisch sein, so dass die Behandlung gegen die für die Infektion verantwortlichen Bakterien eingeschränkt werden kann, ohne andere Mikroorganismen zu beeinträchtigen.

6) Antibiotika töten nicht alle Bakterien ab, daher können die überlebenden Bakterien die genetische Information, die Resistenz gegen das Antibiotikum verleiht, an ihre Nachkommen übertragen und so resistente Stämme erzeugen. Lysogenetische Bakteriophagen töten die von ihnen infizierten Bakterien ab und verringern die Möglichkeit der Entwicklung resistenter Bakterienstämme.

Verweise

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