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Das Fraunhofer IGB entwickelt Bakteriophagen für Industrie, Klinik und Forschung: Wir screenen lytische Phagen gegen Ihre Zielkeime, charakterisieren Wirtsspektrum und Stabilität, reinigen die Präparationen auf und formulieren sie für Ihre Matrix. Als Forschungseinrichtung liefern wir Entwicklungsmaterial und Daten; Therapie und Zulassung liegen außerhalb unseres Auftrags und obliegen unseren Partnern.
Das Team Phagen gehört zum Bereich Medizinische Biotechnologie des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Seit 2017 arbeiten wir an Bakteriophagen als Werkzeug gegen bakterielle Problemkeime. Seit 2026 bündeln wir diese Expertise in einer eigenen Arbeitsgruppe, die sich gezielt der Phagen-Technologie widmet – von der Isolierung über die Charakterisierung bis zur anwendungsnahen Präparation: Unsere Auftraggeber sind Unternehmen aus Landwirtschaft, Lebensmittelproduktion, Kosmetik und Medizintechnik sowie Einrichtungen aus Klinik und Forschung.
Für die Laborarbeit stehen uns Laboratorien der biologischen Schutzstufe 2 zur Verfügung, einschließlich der behördlichen Erlaubnisse für humanpathogene Bakterien der Risikogruppe 2, für Tierseuchenerreger und für gentechnische Arbeiten. Eine dokumentierte Stammbank für Bakterien und Bakteriophagen deckt Screening und Charakterisierung ab. Ganzgenomsequenzierung und bioinformatische Auswertung.
Wir begleiten die Entwicklung von der Isolation geeigneter Phagen bis zur anwendungsorientierten Formulierung, mit etablierten, reproduzierbaren Verfahren auf jeder Prozessstufe. Unser Leistungsspektrum umfasst die Bereiche Screening, Charakterisierung, Prozessierung und Formulierung.
Für die Isolierung lytischer Phagen nutzen wir Umweltproben aus unterschiedlichen Quellen, etwa Abwasser, Boden, Lebensmittelumgebungen oder pflanzenassoziiertem Material. Je nach Zielorganismus setzen wir dabei verschiedene Anreicherungsprotokolle ein, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, passende Phagen auch aus komplexen oder anspruchsvollen Probenmatrices zu gewinnen.
Bei der Auswahl der Kandidaten berücksichtigen wir morphologisch unterschiedliche Plaques. Jedes ausgewählte Isolat wird über mehrere Reinigungsrunden bis zur Klonalität aufgearbeitet, bevor es in die weitere Charakterisierung geht. Für die Bearbeitung größerer Probenzahlen oder Stammpanels arbeiten wir im 96-Well-Format, was eine parallele Testung vieler Kandidaten gleichzeitig ermöglicht.
Steht für ein Projekt noch kein geeigneter Wirtsstamm zur Verfügung, isolieren und identifizieren wir diesen parallel mit anschließender Bestätigung durch 16S-rRNA-Sequenzierung.
Jeden isolierten Phagen prüfen wir darauf, wie zuverlässig er wirkt, wie stabil er unter praxisrelevanten Bedingungen bleibt und ob er sicher für die weitere Entwicklung eingesetzt werden kann.
Das Wirtsspektrum bestimmen wir mittels Efficiency-of-Plating, bei der die Plaquebildung auf verschiedenen Bakterienstämmen quantitativ verglichen wird. So lässt sich präzise abbilden, wie gut ein Phage die Zielisolate erfasst und ob er Kulturen verschont, die erhalten bleiben sollen. Über sogenannte One-Step-Growth-Curves, bei denen die Phagenvermehrung in einem einzelnen Infektionszyklus zeitaufgelöst verfolgt wird, bestimmen wir sowohl die Burst Size, also die Anzahl neuer Phagenpartikel pro infizierter Zelle als auch das Adsorptionsverhalten. Ergänzend untersuchen wir die Wachstumskinetik unter definierter MOI, dem Verhältnis von Phagen zu Bakterienzellen, um die Lyseeffizienz auch in Abhängigkeit von der eingesetzten Phagenkonzentration einschätzen zu können.
Da jede Anwendungsmatrix eigene Anforderungen an die Robustheit eines Phagen stellt, prüfen wir zusätzlich dessen Stabilität gegenüber Temperatur, pH-Wert und Salzkonzentration unter den jeweils relevanten Bedingungen. Zur morphologischen Einordnung, etwa zur Bestimmung von Kopf- und Schwanzstruktur, nehmen wir elektronenmikroskopische Aufnahmen auf.
Für die vollständige Genomsequenzierung kombinieren wir Nanopore- und Illumina-Daten, da sich beide Technologien ergänzen: Nanopore liefert lange, zusammenhängende Sequenzabschnitte, während Illumina eine hohe Basenpaar-Genauigkeit beisteuert – gemeinsam ergeben sie geschlossene, verlässliche Sequenzen. Die anschließende bioinformatische Auswertung prüft gezielt auf Toxin- und Resistenzgene sowie auf Lysogeniemarker, also genetische Hinweise darauf, dass ein Phage sein Erbgut dauerhaft in das Bakteriengenom integrieren könnte. Nur Kandidaten ohne entsprechende Hinweise gehen in die weitere Entwicklung.
Für die Übergabe an unsere Partner reinigen und konzentrieren wir die Phagenpräparation in mehreren aufeinander abgestimmten Schritten. Zur Vorreinigung und ersten Konzentrierung setzen wir Fällungsverfahren ein, etwa mittels PEG oder durch Nutzung des isoelektrischen Punkts der Phagenpartikel, um diese gezielt aus dem Kulturüberstand abzutrennen.
Im nächsten Schritt folgen Aufkonzentrierung und Pufferwechsel mittels Tangentialflussfiltration, wodurch sich auch größere Volumina schonend und aufarbeiten lassen. Für die Feinreinigung setzen wir je nach Projekt und Zielanwendung chromatographische Verfahren ein, etwa Ionenaustausch- oder Größenausschlusschromatographie, um verbleibende Wirtszellbestandteile und Restmedien weiter abzureichern.
Die erreichte Reinheit der Präparation sichern wir durch begleitende Qualitätskontrollen ab: Dazu zählen die Bestimmung des Proteingehalts, der Nachweis von Endotoxinen mittels LAL-Assay sowie eine Bioburden-Prüfung zum Ausschluss mikrobieller Kontaminationen. Die Prozessierung erfolgt derzeit im Labormaßstab.
Die gereinigte Phagenpräparation überführen wir in ein Medium, das auf die Zielmatrix und den vorgesehenen Prozess abgestimmt ist. Dazu passen wir pH-Wert und Ionenstärke der Formulierung an und setzen bei Bedarf Stabilisatoren wie Trehalose oder Glycerin ein, um die Phagen auch unter herausfordernden Bedingungen funktionsfähig zu halten. Auf Basis der in der Charakterisierung ermittelten Stabilitätsdaten leiten wir daraus das Anwendungsfenster ab, also den Konzentrations- und Bedingungsbereich, in dem der Phage in der jeweiligen Matrix wirksam bleibt.
Für Phagen, die entsprechend robust sind, arbeiten wir zudem an weiterführenden Trocknungsverfahren wie Sprühtrocknung und Gefriertrocknung, um stabile, lagerfähige Formulierungen zu entwickeln.
Bakteriophagen sind Viren, die ausschließlich Bakterien befallen und sie auflösen, während menschliche, tierische und pflanzliche Zellen von ihnen unberührt bleiben. Bakteriophagen tragen ein DNA- oder RNA-Genom in einem Proteinkapsid. Sie erkennen Oberflächenstrukturen ihrer Wirtsbakterien, injizieren ihr Genom und vermehren sich in der Wirtszelle. Die Spezifität beruht auf Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen an der Bakterienoberfläche; eukaryotische Zellen tragen diese Zielstrukturen nicht.
Immer mehr Bakterien werden gegen gängige Antibiotika resistent, wodurch bislang gut behandelbare Infektionen und Verunreinigungen zunehmend schwieriger in den Griff zu bekommen sind. Phagen bieten hier einen alternativen Ansatz: Da sie nicht wie Antibiotika auf klassische Resistenzmechanismen angewiesen sind, können sie auch multiresistente Bakterien angreifen. Das macht sie zu einem viel diskutierten Werkzeug in der Medizin, Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion.
Ein lytischer Phage dockt zunächst an die Oberfläche seines Wirtsbakteriums an und schleust sein Erbgut in die Zelle ein. Dort zwingt er das Bakterium, zahlreiche Kopien von sich selbst zu produziere; quasi eine Phagenfabrik im Inneren der Zelle. Sind genug neue Phagen entstanden, sprengt die Zelle von innen auf, die neuen Phagenpartikel werden freigesetzt und befallen weitere Bakterien. Dieser Prozess wiederholt sich, bis die Zielbakterien deutlich reduziert sind.
Weil der "Schlüssel" eines Phagen nur zu ganz bestimmten »Schlössern« passt, wirkt jeder Phage typischerweise nur gegen wenige, eng verwandte Bakterienstämme. Diese Eigenschaft nennt man Wirtsspektrum. Das hat einen entscheidenden Vorteil: Phagen treffen gezielt die Problemkeime, ohne nützliche Bakterien in der Umgebung zu schädigen. Der Nachteil ist, dass man für eine wirksame Anwendung genau die richtigen Phagen finden und testen muss, weshalb eine sorgfältige Charakterisierung im Vorfeld unerlässlich ist.
Antibiotika wirken meist breit und erfassen viele unterschiedliche Bakterienarten gleichzeitig, treffen dabei aber auch erwünschte Bakterien, etwa in der natürlichen Mikrobiota. Phagen hingegen wirken deutlich gezielter und lassen begleitende, nützliche Bakterien meist unberührt. Dafür ist ihre Anwendung komplexer, weil für jede Zielbakterienart passende Phagen identifiziert werden müssen. Beide Ansätze schließen sich nicht aus, sondern können sich sinnvoll ergänzen.
Phagen werden längst nicht nur erforscht, sondern bereits in einzelnen Bereichen praktisch eingesetzt, etwa in der Lebensmittelproduktion zur Keimkontrolle oder in der Landwirtschaft. In der Medizin laufen vielversprechende Studien und Einzelanwendungen, eine breite therapeutische Zulassung steht in den meisten Ländern jedoch noch aus. Phagen sind damit ein wachsendes, aber noch kein allgemein etabliertes Werkzeug, ihre Entwicklung erfordert nach wie vor sorgfältige wissenschaftliche Begleitung für jeden einzelnen Anwendungsfall.
Klassische Desinfektions- und Konservierungsverfahren wirken meist breit, sie treffen nicht nur die Problemkeime, sondern belasten oft auch das Produkt selbst, seine Sensorik oder erwünschte Mikroorganismen. Phagen bieten hier eine gezieltere Alternative: Wir isolieren lytische Phagen passend zu Ihrem konkreten Problemkeim, bestimmen ihr Wirtsspektrum, ihre Lyseeffizienz sowie ihre Stabilität in Ihrer spezifischen Matrix und liefern Ihnen eine fertige Phagenpräparation samt vollständigem Charakterisierungspaket. Typische Anwendungsfelder sind Landwirtschaft, Lebensmittel- und Getränkeproduktion sowie Kosmetik.
Pathogene Viren lassen sich aus Sicherheitsgründen kaum als Prüfmodell für Luftreinigungstechnologien einsetzen. Wir nutzen deshalb die gut erforschten Surrogatphagen Phi6 und MS2, die ausschließlich Bakterien befallen und damit ein sicheres, aber realistisches Testmodell liefern. In einer Aerosoltestkammer bestimmen wir mittels Plaque-Assay die Zahl infektiöser Partikel und erfassen zusätzlich über eine phagenspezifische (RT-)qPCR die Gesamtviruszahl. Aus dem Vergleich beider Messgrößen leiten wir belastbare Inaktivierungs- und Abscheideraten ab – eine verlässliche Datengrundlage, um die Wirksamkeit von Luftreinigern, Filtern, UV-C-Modulen oder Masken zu überprüfen.
Zunehmende Antibiotikaresistenzen erschweren die Behandlung bakterieller Infektionen, Phagen eröffnen hier neue Perspektiven. Wir isolieren und charakterisieren lytische Phagen gegen definierte Zielerreger und prüfen ihre Genome gezielt auf unerwünschte Eigenschaften, etwa Toxin- oder Resistenzgene. Partner aus Klinik, Medizintechnik und Forschung erhalten von uns das notwendige Entwicklungsmaterial sowie die zugehörigen Daten für ihre eigenen Projekte. Klinische Prüfung und therapeutische Anwendung verbleiben dabei klar bei den medizinischen Partnern.
Das Fraunhofer IGB ist eine Forschungseinrichtung. Wir entwickeln und charakterisieren Phagen für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen – nicht für den therapeutischen Einsatz am Menschen.
Unser Fokus: Wir arbeiten mit Unternehmen und wissenschaftlichen Einrichtungen zusammen und liefern Entwicklungsmaterial sowie dessen Charakterisierung – als fundierte Grundlage für die Weiterentwicklung beim Partner.
Wenden Sie sich an Ihre behandelnde Ärztin, Ihren behandelnden Arzt oder die zuständige medizinische Einrichtung. Anfragen von Privatpersonen zur Phagentherapie kann das Fraunhofer IGB nicht bearbeiten.
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB