Megaplasmide in der Pathogen-Evolution: Bacillus cereus

Horizontalen Gentransfers (HGT) ist häufig die Ursache für das Auftreten von neuen pathogen Bakterienstämmen die, auf Grund ihrer verbesserten oder neu gewonnenen Anpassungseigenschaften, neue ökologische Nischen erobern und besiedeln können. In der Bacillus cereus Gruppe, deren Vertreter in sehr vielen verschiedenen ökologischen Nischen zu finden sind, findet man zwei Beispiele für solch einen Gentransfer: Bacillus anthracis, ein gefährliches Humanpathogen und emetische B. cereus, die schwerwiegende Lebensmittelvergiftungen auslösen können. Beide Pathogenen besitzen Megaplasmide, die Toxingene kodieren und beide Vertreter der B. cereus Gruppe sind an spezielle ökologische Nischen angepasst: B. anthracis an den humanen Wirt, emetische B. cereus an bestimmte Lebensmittel. Unsere Hypothese ist es, dass pCER20, das Megaplasmid, das die Gene für die Produktion des potenten emetischen Toxins Cereulid trägt, eine wichtige Rolle bei dieser Spezialisierung der emetischen Stämme spielt. Es wird eine breite Palette von phänotypischen Assays eingesetzt, die bereits in den Laboren der beiden Projektpartner in Österreich und Frankreich etabliert sind, um die spezifischen Umweltbedingungen herauszufinden und die plasmidkodierten genetischen Faktoren zu identifizieren, welche für die ausgeprägte Anpassungsfähigkeit von emetischen B. cereus an speziellen ökologischen Nischen verantwortlich sind. Da unsere bisherigen Arbeiten darauf hindeuten, dass ein intensiver Cross- Talk zwischen dem Plasmid und dem Chromosom emetischen B. cereus existiert, ähnlich dem Plasmid- Chromosom Cross-Talk in B. anthracis, werden wir OMIC-Technologien einsetzen, um diesen regulatorische Austausch näher zu untersuchen. Plasmide gehören zu dem sog. Mobilom der Bakterien, daher untersuchen wir das Risiko einer Verbreitung des Virulenz-Megaplasmids pCER270 in der B. cereus Gruppe via HGT. Durch Konjugationsexperimente soll aufgeklärt werden, wie durch den Transfer eines Megaplasmids aus einem nichtpathogenen Bakterium ein pathogenes Bakterium werden kann. Die aus diesen Untersuchungen resultierenden Ergebnisse werden es uns erstmalig ermöglichen ein Gesamtbild dieser Kommunikation zwischen einem genetisch mobilen Element, dem Toxinplasmid, und dem Chromosom in emetischen B. cereus zu zeichnen. Die Ergebnisse dieses Projekt können daher einen wichtigen Beitrag zu dem Verständnis von Mechanismen leisten, die das Auftreten und die Entwicklung von neuen Pathotypen fördern. Durch das Projekt werden neue Erkenntnisse zur Bedeutung von Megaplasmiden und deren Beitrag zu den komplexen regulatorischen Netzwerken in Bakterien gewonnen. Darüber hinaus eröffnet das gewonnen Wissen über die Anpassungsmechanismen emetischen Stämme an Lebensmittel neue Perspektiven zur Entwicklung von Präventionsstrategien in der Lebensmittelindustrie und kann einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit leisten.

Die Bedeutung von Megaplasmiden für die Evolution von Pathogenen. Horizontaler Gentransfer (HGT) ist häufig die Ursache für das Auftreten von neuen pathogen Bakterienstämmen die, auf Grund ihrer verbesserten oder neu gewonnenen Anpassungseigenschaften, neue ökologische Nischen erobern und besiedeln können. In der Bacillus cereus Gruppe, deren Vertreter in sehr vielen verschiedenen ökologischen Nischen zu finden sind, findet man zwei Beispiele für solch einen Gentransfer: Bacillus anthracis, ein gefährliches Humanpathogen sowie emetische Bacillus cereus, die schwerwiegende Lebensmittelvergiftungen auslösen können. Beide Pathogene besitzen Megaplasmide, die Toxingene kodieren. Außerdem sind beide Vertreter der B. cereus Gruppe an spezielle ökologische Nischen angepasst: B. anthracis an den humanen Wirt, emetische B. cereus an bestimmte Lebensmittel. Im Rahmen dieses Projektes haben wir die Rolle und die Bedeutung des pCER270 Megaplasmids, das die Gene für die Produktion des potenten emetischen Toxins Cereulid trägt, für die Spezialisierung der emetischen Stämme untersucht. Es wurde eine breite Palette von phänotypischen Assays eingesetzt, um die spezifischen Umweltbedingungen herauszufinden und die plasmidkodierten genetischen Faktoren zu identifizieren, welche für die ausgeprägte Anpassungsfähigkeit von emetischen B. cereus an spezielle ökologische Nischen verantwortlich sind. Die Ergebnisse unserer Multi-Omics Studie zeigen, dass ein intensiver 'Cross- Talk' zwischen dem Plasmid und dem Chromosom emetischer B. cereus existiert. Ein Verlust des Plasmids pCER270 führt nicht nur zu einer Veränderung der Pathogenität der emetischen Stämme, sondern hat auch signifikante Auswirkungen auf die Fitness und Anpassungsfähigkeit der Bakterien. Plasmide gehören zu dem sog. 'Mobilom' der Bakterien, daher haben wir das Risiko einer Verbreitung des Virulenz-Megaplasmids pCER270 in der B. cereus Gruppe via HGT untersucht. Unserer Konjugationsexperimente in natürlichen Habitaten der Bakterien zeigten, dass durch den Transfer des Plasmids pCER270 aus einem nicht emetischen Umweltbakterium ein emetisches, toxigenes Bakterium werden kann. Die aus diesen Untersuchungen resultierenden Ergebnisse ermöglichen es uns erstmalig ein Gesamtbild dieser Kommunikation zwischen einem genetisch mobilen Element, dem Toxinplasmid, und dem Chromosom in emetischen B. cereus zu zeichnen. Die Ergebnisse dieses Projekt leisten daher einen wichtigen Beitrag zu dem Verständnis von Mechanismen, die das Auftreten und die Entwicklung von neuen Pathotypen fördern. Durch das Projekt konnten neue Erkenntnisse zur Bedeutung von Megaplasmiden und deren Beitrag zu den komplexen regulatorischen Netzwerken in Bakterien gewonnen werden. Darüber hinaus eröffnet das gewonnen Wissen über die Anpassungsmechanismen emetischer Stämme an Lebensmittel neue Perspektiven zur Entwicklung von Präventionsstrategien in der Lebensmittelindustrie und kann einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit leisten. Die Projektergebnisse unterstreichen aber auch die Notwendigkeit neue Wege in der Diagnostik und Risikoanalyse zu beschreiten, denn die konventionelle taxonomiebasierte mikrobielle Diagnostik erlaubt keine adäquate Einschätzung der Gefährlichkeit eines Bakteriums für die Gesundheit und die Lebensmittelsicherheit.