Chemotaxis of Escherichia coli to compounds present in human gut

Vor kurzem wurde gezeigt, dass Mikroorganismen des Magen-Darm-Trakts mit diesem kommunizieren und daher einen Einfluss auf den Stoffwechsel, das Immunsystem sowie auf das Verhalten des Wirtstiers nehmen. Eine steigende Anzahl an Anhaltspunkten zeigen, dass dieser Austausch auch in entgegengesetzter Richtung stattfinden kann und zwar durch das Wahrnehmen von Hormonen und anderer vom Wirt ausgeschiedenen chemischen Verbindungen durch die Mikroorganismen. Wir haben uns in dieser Arbeit mit einem der Schlüsselelemente der Wirts-Mikroben-Kommunikation befasst, in dem wir das Chemotaxis System untersucht haben, das externe Stimuli wahrnehmen kann. So haben wir die chemotaktische Antwort des symbiotischen Modelbakteriums Escherichia coli auf mehrere chemische Verbindungen, die sich im Magen-Darm-Trakt anreichern, untersucht: Katecholamine 3,4-Dihydroxyphenylalanin, Dopamin, Norepinephrin und 3,4-Dihydroxymandelsäure; die Schilddrüsenhormone Serotonin und Melatonin; die Sexualhormone ß-Estradiol und Testosteron; Insulin; und die Polyamine Putrescin und Spermidin. Für Melatonin, Testosteron und Spermidin konnte gezeigt werden, dass sie chemotaktisch abweisend sind, wobei die stärkste abweisende Reaktion für Seperimidine beobachtet wurde und Epinephrin zeigte eine anziehende Wirkung. Für Dopamin, Norepinephrin, 3,4-Dihydroxymandelsäure und Insulin konnte eine zweiphasige Antwort beobachtet werden. Um den zugrundeliegenden Wahrnehmungsmechanismus für diese chemischen Verbindungen zu ermitteln haben wir die chemotaktischen Antworten von Stämmen untersucht, die Hybridrezeptoren mit der Kombination der Domänen der zwei am häufigsten vorkommenden Rezeptoren in E. coli, Tar und Tsr, exprimieren. Wir haben auch die Reaktion von mutierten Tar Rezeptoren untersucht, die eine umgekehrte chemotaktische Antwort aufweisen, was es uns erlaubt hat, die Rezeptorregionen zu identifizieren, welche auf die einzelnen chemischen Verbindungen reagieren. Während Hormone indirekt wahrgenommen werden, was hauptsächlich auf die Perturbation der Signaldomäne von Tar und Tsr zurückzuführen ist, schließt die Reaktion auf Spermidin den wenig vorhandenen Chemorezeptor Trg ein sowie das periplasmatische Bindeprotein PotD des Spermidinaufnahmesystems. Um schließlich die physiologische Bedeutung für das Wahrnehmen dieser chemischen Verbindungen für E. coli zu bestimmen, haben wir deren Auswirkungen auf das Wachstum untersucht. Der chemotaktische Effekt der untersuchten Verbindungen korreliert mit dem Einfluss auf das Wachstum und der Stabilität der Stoffe im Magen-Darm-Trakt, was auf die Spezifität des beobachteten Verhaltens hindeutet. Wir nehmen an, dass die abweisende Reaktion auf die chemischen Verbindungen, die eine Reaktion hervorrufen, es den Bakterien bei hohen Konzentrationen erlaubt, schadhafte Mengen von Hormonen und Polyaminen im Darm zu vermeiden.