Genregulation in dynamischen Biofilmen von Vibrio cholerae

Die schwere Durchfallerkrankung Cholera wird durch das fakultativ human-pathogene Bakterium Vibrio cholerae verursacht. Der Lebenszyklus von klinisch relevanten V. cholerae Isolaten ist vom ständigen Wechsel zwischen zwei sehr unterschiedlichen Lebensweisen geprägt: Als natürlicher Bewohner der aquatischen Umwelt und als Krankheitserreger im menschlichen Gastrointestinaltrakt. Ein entscheidender Faktor für das Überleben in der Umwelt ist die Fähigkeit Oberflächen-assoziierte Gemeinschaften auszubilden, welche von einer extrazellulären Matrix zusammengehalten werden - besser bekannt unter dem Begriff "Biofilm". Neueste Studien lassen vermuten, dass Biofilme nicht nur eine wichtige Rolle als Überdauerungsstadium in der Umwelt, sondern auch einen effizienten Weg darstellen, um hohe Keimzahlen auf den nächsten Wirt zu übertragen. Daher tragen Biofilme von V. cholerae auch zur Verbreitung der Krankheit Cholera bei. Ein Ziel dieser Studie ist die Identifizierung und Charakterisierung von Genen, welche während der Biofilmbildung von V. cholerae induziert werden. Im Gegensatz zu früheren Studien, werden wir ein Reportergen-System in Kombination mit einem hydrodynamischen Biofilm-Modell benutzen. Der hydodynamische Biofilm ist einem ständigen Flüssigkeitsstrom ausgesetzt und sollte die natürlichen Bedingungen von V. cholerae in der aquatischen Umwelt und im menschlichen Gastrointestinaltrakt besser widerspiegeln. Bislang wurde jedoch Biofilmbildung bei V. cholerae nur unter statischen Bedingungen untersucht. Wir erwarten daher neue Erkenntnisse über die erst kürzlich beschriebenen und noch uncharakterisierten dynamischen Biofilme zu erlangen. Weiterhin soll diese Studie dazu beitragen, ein besseres Verständnis von wichtigen Signaltransduktionskaskaden, Regulationsmechanismen und Anheftungsfaktoren für die Biofilmbildung zu erzielen, sowie bislang unbekannte Biosynthese- und Sekretionswege von Bestandteilen der Biofilmmatrix zu erforschen. Vorläufige Daten aus unserer Arbeitsgruppe lassen vermuten, dass extrazelluläre DNA ein bislang unbekannter Bestandteil der V. cholerae Biofilmmatrix ist. Dies soll als zweites Ziel dieser Studie näher untersucht werden. In der aquatischen Lebensweise bildet V. cholerae Biofilme auf Chitin, wodurch ein Zustand der natürlichen Kompetenz, induziert wird. Daher kann die Anwesenheit von extrazellulärer DNA unter diesen Bedingungen zu horizontalem Gentransfer führen. Ein relevantes Beispiel für den epidemiologischen Einfluss von horizontalem Gentransfer ist die kürzlich neu entstandene Serogruppe O139, die aus einem O1 El Tor Stamm durch Serogruppenkonversion hervorging und in den 90er Jahren verheerende Cholera-Ausbrüche verursachte. Die Ergebnisse dieser Studie sollen das Verständnis der Biofilmbildung von V. cholerae und eventuell auch anderer Bakterien verbessern. Idealerweise wird dies die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beschleunigen, die auf die Persistenz und übertragbaren Formen von pathogenen Bakterien wie V. cholerae abzielen.

Die schwere Durchfallerkrankung Cholera wird durch das fakultativ human-pathogene Bakterium Vibrio cholerae verursacht. Der Lebenszyklus von klinisch relevanten V. cholerae Isolaten ist vom ständigen Wechsel zwischen zwei sehr unterschiedlichen Lebensweisen geprägt: Als natürlicher Bewohner der aquatischen Umwelt und als Krankheitserreger im menschlichen Gastrointestinaltrakt. Ein entscheidender Faktor für das Überleben in der Umwelt ist die Fähigkeit Oberflächen-assoziierte Gemeinschaften auszubilden, welche von einer extrazellulären Matrix zusammengehalten werden - besser bekannt unter dem Begriff Biofilm. Neueste Studien inklusive der Ergebnisse aus diesem Projekt lassen vermuten, dass Biofilme nicht nur eine wichtige Rolle als Überdauerungsstadium in der Umwelt, sondern auch einen effizienten Weg darstellen, um hohe Keimzahlen auf den nächsten Wirt zu übertragen. Daher tragen Biofilme von V. cholerae auch zur Verbreitung der Krankheit Cholera bei. Ein besseres Verständnis der Biofilmbildung ist daher zwingend erforderlich.Unter Verwendung eines Reportergen-Systems haben wir im Rahmen dieses Antrags erfolgreich Gene identifiziert, die V. cholerae während der Biofilmbildung anschaltet. Darunter befanden sich bspw. extrazelluläre Nukleasen, welche zur Entdeckung von extrazellulärer DNA als wichtige Matrixkomponente im Biofilm und abundante Nahrungsquelle entlang des Lebenszyklus von V. cholerae geführt hat. In weiterer Folge konnten wir demonstrieren, dass die Nukleasen im Wirt eine wichtige Funktion beim Entkommen der angeborenen Immunantwort spielen. Dadurch konnten wir den extrazellulären Nukleasen eine duale Rolle entlang des Lebenszyklus zuordnen: Zum einen während der Biofilmbildung in der aquatischen Umwelt und zum anderen im Menschen während der Infektion. Zusätzlich identifizierte unser Labor weitere Gene, welche im Biofilm angeschaltet sind und deutlichen Einfluss auf die Biofilmbildung nehmen. Neben vielen unbekannten Funktionen, scheinen einige Genprodukte Einfluss auf Signalkaskaden, Proteinmodifikationen, Beweglichkeit und Stoffwechsel zu nehmen. Eine genaue Charakterisierung soll nun in einem Folgeprojekt durchgeführt werden. Entlang unser Expertise auf dem Gebiet der Biofilme, konnten wir auch entscheidend zum Verständnis der Biofilmbildung bei einem weiteren Krankheitserreger des Menschen, Acinetobacter baumanii, beitragen.Zusammenfassend haben die Ergebnisse dieser Studie das Verständnis der Physiologie und Biofilmbildung von V. cholerae und anderen pathogenen Bakterien deutlich erweitert. Die Anwesenheit von extrazellulärer DNA, welche auch in Biofilmen andere Bakterien gefunden wird, erlaubt bspw. die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze, die gezielt auf den Abbau dieser Matrixkomponente abzielen.