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Titel: Biofilm formation in the thermoacidophilic crenarchaea Sulfolobus spp.
Autor: Koerdt, Andrea
Weitere Beteiligte: Albers, Sonja V. (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0647
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-06478
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0647
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Biofilm formation in the thermoacidophilic crenarchaea Sulfolobus spp.

Dokument

Schlagwörter:
Surface appendages, Biofilm, Architektur, Zell Anhänge, Architecture, Biofilm formation, Anheftung, Attachment,

Zusammenfassung:
In dieser Studie wurden Biofilmanalysen an Crenarchaeota durchgeführt, welche die ersten tiefergehenden Untersuchungen an archaealen Biofilm überhaupt sind. Es wurden Methoden für die Analyse von Biofilm entwickelt, wie zum Beispiel der Mikrotiter Assay, CLSM und das Färben zur Detektion von Biofilm. Die verwandten Stämme S. solfataricus, S. acidocaldarius und S. tokodaii zeigten erhebliche Unterschiede in ihrer Biofilmarchitektur (von teppich- bis zu turmartigen Strukturen), im Protein- und Transkriptionsmuster, als auch im Bedarf von Zellanhängen für die Biofilmentwicklung. In der Biofilmmatrix konnten hohe Anteile an Zuckern (Mannose-, Glucose-, N-acetyl-D-glucosamin- und Galactosylreste) detektiert werden, wobei derzeit noch unklar ist, ob diese Zucker auf Exopolysaccharide, glykosylierte Proteine oder beides zurückzuführen sind. Zusätzlich wurden in der Biofilmmatrix geringe Mengen an eDNA nachgewiesen, die allerdings nicht für die Stabilität und Struktur des Biofilms benötigt werden. Auffällig war, dass alle Stämme unterschiedliche Reaktionen im Biofilm unter Stressbedingungen zeigten (Temperatur, pH und Eisen). Gene, die möglicherweise in Archaea generell eine Rolle in der Biofilmbildung spielen sind der Transkriptionsregulator Lrs14 und FabG, welches möglicherweise an einem neuartigen „quorum sensing system“ von Archaeen beteiligt ist. Weitere interessante Beobachtungen wurden bei der Analyse von Mutanten und dem Einfluss von Oberflächenstrukturen auf Biofilm Formation und Anheftung gemacht. Während S. solfataricus sowohl die Flagelle als auch den Ups-Pilus für die Anheftung an Oberflächen benötigt, sind diese für die weitere Biofilmformation weniger essentiell. Ein anderes Ergebnis wurde bei S. acidocaldarius erzielt, wo die Deletion von mindestens zwei Anhängen zu einer reduzierten Anheftung führte. Eine Ausnahme war hier das Anheften das bei Mutanten beobachtet wurde, die nur noch den Aap-Pilus besaßen (Steigerung um 150%). Die einzelnen Deletion von Oberflächenstrukturen hatte zudem auch Einfluss auf die Biofilmarchitekturen (drei verschiedene Phänotypen). Ein GFP wurde adaptiert und bietet nun die Möglichkeit für Biofilm Analysen von S. acidocaldarius. Abschließend hat eine in vivo Analyse der Ssα-man einen Einfluss auf die Zuckerzusammensetzung des EPS in S. solfataricus ergeben. Wobei aufgrund der erzielten Ergebnisse, nicht auszuschließen ist, dass dieses Protein in Sulfolobus spp. an einer möglichen Prozessierung des Glycan beteiligt ist.

Summary:
In this study, the first analysis of crenarchaeal biofilm was performed. Furthermore, this work represents the first in-depth investigation of archaeal biofilm at all. Methods for the analysis of hyperthermophilic biofilm were developed, for instance, microtiter assay, CLSM, and detection of biofilm by fluorescent probes. Furthermore, it was shown that the three related strains S. solfataricus, S. acidocaldarius and S. tokodaii exhibit a high number of differences related to the architecture (carpet-like ranging to tower-like structures), protein and expression pattern, and the requirement of surface appendages. It was revealed that the matrix of biofilm contains a high amount of sugars (mannose, glucose, N-acetyl-D-glucosamine and galactosyl residues), while it is still unclear if these sugars are present in the exopolysaccharides, glycosylated proteins or both. Furthermore, the matrix included low levels eDNA which are not important for the stability and structure of the biofilm. Remarkable was the fact that the strains showed different reactions when they were exposed to stressful conditions (temperature, pH, and iron). Commonly required genes/proteins in all three Sulfolobus ssp. included Lrs14-like transcriptional regulators and FabG, which could be involved in a novel-archaea quorum sensing system. Another interesting aspect considered the impact of surface appendages to attachment and biofilm formation. S. solfataricus requires the flagella and the Ups-pili for surface attachment, but they seemed to be less important for biofilm formation. In contrast, S. acidocaldarius exhibited differences in surface attachment dependent on the presence of surface structures, while at least two appendages needed to be deleted before a significant reduction of attachment could be observed. The exception was the mutant which exhibited just the Aap-pili and had a higher affinity to the surface (150% increased). Additionally, the architecture of the biofilm changed in dependency on the appendages as well (three distinct phenotypes were observed). Furthermore, it was also possible to adapt a GFP usable for the study of biofilm formation in S. acidocaldarius. Finally, in vivo analyses of the expression of Ssα-man discovered the involvement in the sugar modification of the EPS in S. solfataricus. The result of this study indicated the possibility that glycan trimming might be existent in Sulfolobus spp.


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